《形貌控制的ZnO纳米材料红外光谱研究与分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《形貌控制的ZnO纳米材料红外光谱研究与分析（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要氧化锌( z n O ) 是一种重要的宽禁带半导体材料，室温下的带隙宽 度为3 - 3 7 e v ，激子束缚能离这6 0m e V 。裔1 9 9 7 年在z n 0 多螽蓦貘上 实现了室温竞泵漓紫外激光以耒，有荚z 娃0 榜辫砖研竞已臻成为光电 领域圆际前沿曝题中媳热点之一。 针对当前z n O 研毙工作的热点问题，人们更多关注于z n 0 的紫盼 特性和P 擞Z n O 半导体材料的制备，对于Z n O 甄外的研究鲜有械道。 本论文主要对z n O 娴来颗救靖耪的炙。谱羧震 克英是孛红玲竞落) 进 行研究，z 魏O 纳米颓媳在中虹砖没瘴穗应她设收，所以；I 入杂质掺杂， 以达到在中红
2、外有较宽的吸收带。本文采用燃烧汝来制备Z n O 纳米颗 粒，磷时谁备的适程掺入不陵配毙N i 0 ，以奏瑰Z n 0 踊米鬏粒级多 鳞吸收。关犍调：氯化镑氯化镍纳米颗粒红外材料燃烧法A b s t r a c tz i n co x i d e ( z n O ) i sa ni m p o r t a t l tI I V 1w i d eb a l l dg 印( E g = 3 3 7e V )s e r n i c o n d u c t o rw i t har e l a t i v e l y1 1 i g he x c i t o nb 砌i n ge n e r g yo
3、f6 0m e VS i n c em er e a l i z a t i o no fs t i m u l a t e de m i s s i o no fZ n 0n m l t i c r v s t a lf i l m sa ti n d o o rt e m p e r a n 】r eb yo p t i c a lp l 】I n p i n gi n1 9 9 7 ，r e s e a r c h e so nz n Oa n di t sr e l a t e dm a t e r i a l sh a v eb e c o m eo n eo ft t l em o
4、 s tp r 0 1 T 1 i s i n ga 1 1 da 1 血佻t i v ea S p e c t si 1 1m eo p t o e l e c 打o m cf i e l d I nr e c e n ty e a r s ，e X p e n sa n dp r o f e s s o r sa r em a k i n g 乒e a te 肋r t si nU Vc h a r a c t e r i s t i co fZ n 0a I l dP Z n Oa I l dn e g l e c t i n gI Rc h a r a c t e r i 妣I nm i
5、 sp a p e r ，w ei n V e s t i g a t et h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fZ n 0 ，e s p e c i a l l yM I R s p e c 饥吼Z n On a n o p a r t i c l ec a l ln o ta b s o r be l e c t m m a 鲫e t i c 、v a v ei nM I Rs o 、ep u ti ni I l l p 商t i e si nZ n On a l l o p a I t i c l et oa c 王l i e v ef i n e
6、M I Ra b s o r p t i o n 1 1 1 en a I l o p a r t i c l eo fZ n Od o p e d 耐t t lN i Oi nd i 仃e r e n tp m p o n i o ni so b c a i l 】尉b yc o m b u s t i o nn l e m o di 1 1o r d e rt or e a l i z e 协疳a r e da b s o r p t i o n K e yw o r d s ：z i n co x i d eN i c k e lo x i d en a n o p a n i c l
7、e蛔h 翟I e dm a t e r i a lc o m b u s t i o m e t h o d第一章引言自上个世纪初以来，随着科学技术的飞速发展，人类对自然界的认 识无论是从宏观还是微观都取得了前所未有的突破，人类认识世界、改 造世界的能力不断增强。进入二十一世纪以来，科学技术的发展主要围 绕着四太领域：信息科学、生命科学、环境科学和纳米技术。其中，纳 米技术已经成为贯穿物理学、化学、材料学、医学、微电子学等多门学 科的综合性科学，而纳米材料所表现出来的独特而优越的性能吸引了越 来越多科学家的兴趣。由于氧化锌的独特性能以及纳米材料的优异特性， 使得近年来纳米结构氧化锌的研究呈现出
8、逐年增加的趋势，人们采用各 种各样的方法制备出各种不同形态的纳米氧化锌材料，以得到更优越的 性能。1 1 氧化锌材料的基本性质氧化锌( z n O ) ，俗称锌白，白色或浅黄色晶体或粉末，无毒、无臭， 是两性氧化物，不溶于水和乙醇，溶于强酸和强碱，在空气中能吸收二氧 化碳和水。如图1 1 所示，氧化锌的结构为六方晶体( 纤锌矿结构) ，其密 度为5 6 0 6 c m 3 ，晶格常数a = 3 2 4 9 5 眦，c = 5 2 0 6 9 m ，在晶体的结构中 每个Z n ( 锌) 原子与四个O ( 氧) 原子按四面体排布。其熔点是1 7 9 5 ， 其线性膨胀系数：a 轴方向6 ，5 1
9、0 。6 ，c 轴方向3 O l O 6 ，其性能见 表1 。图1 一l 氧化锌六方晶体结构示意图z n O 具有压电和光电特性，是一种直接带隙的宽禁带n 型半导体材 料。z n O 室温下的禁带宽度为3 4 e v ，激子束缚能高达6 0m e v ，比室温 热离化能2 6m e V 大很多，激子( 在价带自由运动的空穴和在导带自由 运动的电子，重新束缚在一起，形成束缚的电子一空穴对) 不会被电离。 由于具有大的束缚能的激子更易在室温实现高效率的激光发射，所以z n 0 是一种在室温和高温下稳定的紫外光发射材料，是具有很大潜力和 应用价值的紫外半导体光电器件材料。因此近年来人们对氧化锌的研究
10、 更多的围绕着紫外发光。表1 氧化锌的基本性质表P r o p e 啊v a l u oL a m c cO a 姗e 靶r Sa 【3 0 0 Ka 0C 0a o ，c 0UD e n s i qs t 曲f ep h a s e m3 0 0 KM e l n gp o i n tn l e l l l l a Ic o n d u c “v 时L i n e a re x p a n s j o nc o e 街c i e n 州)S t a r i cd i e j e c 仃i cc o n 吼a n tR o f a c t i v ei I l d c xE n e r 盯g
11、a pI n ，h n s i cc a m e rc o n c e n 订址i o “E x c i t o nb i n d i n ge n e o 科E l e c 扛0 ne 日b c t i v cm a s sE I e c t r o nH “1m o b i l i 可a t3 0 0Kf o l o wn - t y p ec o n d u c t i v i 可H o ke 自陀c t l v em a S SH 0 l eH a l lm 曲i l i 竹a 3 0 0Kf 0r 1 0 wp _ 帅ec o d u c t i v i 可03 2 4 9 5 n
12、m0 5 2 0 6 9 m16 0 2 ( i d c a lh “a g o n a Is n m r es h o w sI6 6 3 )0 _ 3 4 556 0 6 c m 5W u “埘t e1 9 7 5 06 1 一】2“：65 x l 矿c n ：3O 1 0 486 5 620 0 8 20 2 93 4 e V d i r e c t1 0 2 0 c m 。e l e c t r o H s ；m “p _ t y p ed 叩i n g ( 1 0 。7 c m 。3 h o I e s )6 0 m e VO2 42 0 0 c 瑚。，V s05 95 5 0 c
13、r I l 。V sZ n O 材料在可见、红外的波长范围内透明，且具有压电、光电等效 应，因而提供了将电学、光学及声学器件，如光源、探测器、调制器、 光波导、滤波器及相关电路等进行单片集成的可能性。1 2 氧化锌材料的研究进展氧化锌是一种比较古老的材料 文章。但那时氧化锌主要用于电极2早在二三十年代就有关于氧化锌的 太阳能电池的透明窗口，表面声学波器件和低压显示等方面。直到六十年代，才有人报道了在7 7 K 下，电 子柬激发产生受激辐射，并随着温度的升高而消失。近年来，随着合 成技术的发展，如分子束外延 2 有机金属化学气相沉积【3 】，激光沉积等 先进的生长技术4 l ，可以制备出高质量的
14、氧化锌薄膜。在较高温度下实 现了紫外激射，这一点引起人们的广泛关注，氧化锌再次成研究热点。 1 9 9 1 年开始，z n o 荧光粉在平板显示器中日益受到人们重视。D C R e v n o l d s 川等人最先在l9 9 6 年s o l i ds t a t eC o 咖u n j c a t i o n 上报道了用气 相外延法生长的氧化锌薄膜，在2 K 的低温下在3 2 5 眦的H e c d 激光器 激发下( 抽运功率为4 w c m 。2 ) 观察到强的受激发射。几乎是同时，Y s e g a w a 【6 1 等人用激光分子束外延的方法在蓝宝石衬底上制备了纳米微 晶薄膜，用三倍
15、频Y A G 激光器的3 5 5 m 殷友，在室温下实现了紫外激射。 紧接着汤子康所在的研究组【7 I 和日本东京大学材料研究所捎J 分别用激光 分子束外延和微波等离子体加强的分子束外延的方法在蓝宝石衬底上制 备了高质量的氧化锌薄膜，都是用3 5 5 I 姐的高强度Y A G ：N d 的激光器激发，得到了紫外激射。1 9 9 7 年5 月S c i e n c e 第2 7 6 卷以“，i l lU vL a s e r sB e a tt h eB l u e s ? ”为题对此作了专门报道，称之为“Ag r e a tw o r k ”。1 9 9 8 年美国西北大学也在国家基金的资助下
16、重点开展了这个项目。美国西北 大学H c a o 例等人用激光沉积的方法，在石英衬底上制备出多晶无序薄 膜，晶粒尺寸在5 0 一1 0 0 纳米之间。用3 5 5 n m 的三倍频N d ：Y A G 激光器 激发，在这种高度无序的薄膜中得到了高强度的受激辐射。 1 9 9 9 年l O 月在美国代顿召开了Z n o 专题国际研讨会。 在氧化锌的研究发展过程中，氧化锌单晶纳米线制备的成功是一件非 常重要的事，它将极大的推动氧化锌的研究和开阔它的应用领域。2 0 0 1 年，美国加州大学的M i c h a e l LH u a I l g 等人在s c i e n c e 发表了用气 相输运的方法在蓝宝石衬底上制备出垂直于衬底的氧化锌纳米线，并给出 了激射的结果。用氧化锌和石墨粉末混合，加热到9 0 0 9 2 5 ，氧化锌 被还原产生锌蒸汽，用载气氲输运到镀了金膜的蓝宝石衬底上。锌蒸汽和 金团簇形成合金液滴，在温度比较低的衬底表面形成过饱和
