In摻雜ZnO超晶格納米材料的光學性質.pdf

1、具有超晶格結構的InMO3(ZnO)m（M=In，Ga和Al等）同系化合物，由于具有優(yōu)良的光電性能，一直受到人們的關注.近年來，大量的InMO3(ZnO)m準一維超晶格納米結構被成功制備.然而已有的工作主要集中在此類化合物的制備和結構表征上，對該同系物超晶格納米結構的物性研究特別是光學性質、電學性質研究還很缺乏.對其物性深入研究將是下一步InMO3(ZnO)m同系超晶格納米結構的研究重點.本論文研究工作以In2O3(ZnO)m納米結構為

2、主要研究對象，從In2O3(ZnO)m超晶格納米帶的光學、電學性質到In2O3(ZnO)m超晶格納米棒的缺陷發(fā)光性質開展了一系列工作.論文包括五部分內容:第一章為緒論部分，介紹了準一維納米材料的制備方法、光學性質和當前應用面臨的挑戰(zhàn);第二章介紹了In2O3(ZnO)m平面向超晶格納米帶的光致發(fā)光性質及其電學性質.第三章介紹了In2O3(ZnO)m超晶格納米棒的制備和缺陷性質.第四章分兩個小節(jié)分別介紹了ZnO納米帶-In2O3納米顆粒復合

3、結構和In摻雜層狀ZnO超晶格納米棒的制備和物性的初步研究.具體來說包括以下幾個方面:
　　1.利用化學氣相傳輸法制備了小m值(m=3，5)的In2O3(ZnO)m平面向超晶格納米帶.這種小m值納米帶的低溫PL譜只顯示一個很強的非對稱寬激子發(fā)射峰，同時首次觀察到該激子發(fā)射峰相對于純ZnO納米帶存在14meV的輕微藍移.我們發(fā)現小m值時，納米帶的超晶格層-In/Zn-O層厚度略小于ZnO的激子波爾半徑，由此帶來較強的量子限域效應，超

4、過了In重摻雜導致的紅移效應，最終導致激子峰藍移.隨后我們研究了這種納米帶的變溫發(fā)光性質，得到了束縛到In施主的束縛激子(D0X→In)的激活能大約在18.3-25.7meV范圍，并通過帶隙收縮經驗公式得到相應的參數E0=3.370-3.373eV，α=1.0-1.2meV/K和β=500-520K.同時我們也分析和解釋了低溫到高溫激子峰的展寬機制，發(fā)現低溫下超晶格結構引起的勢阱、勢壘起伏導致的非均勻展寬占主導，高溫下為溫度相關的均勻展

5、寬占主導.室溫下的PL譜表明In2O3(ZnO)m納米帶的可見光區(qū)域發(fā)光峰被明顯抑制，可能和In重摻雜形成的中性深能級復合缺陷有關.最后我們初步研究了其室溫下的電學輸運性質，發(fā)現歐姆接觸的I-V曲線隨著偏置電壓增加，在3.7eV左右開始出現了從線性到非線性轉變的現象，并測得這種超晶格納米帶的電阻率(ρ)約為3.0Ω·cm，優(yōu)于已報道的In摻雜ZnO納米帶.
　　2.利用化學氣相傳輸的方法合成了In摻雜In2O3(ZnO)m(m=1

6、7，19)超晶格納米棒.通過XRD、Raman、TEM、EDS確認了產物為沿著納米棒生長方向(c軸）分層堆垛的超晶格納米棒.研究了納米棒低溫下的變溫PL發(fā)光，觀察到一個3.325eV的未知峰A，可能和類受主型的缺陷有關.室溫下分別在H2氣和空氣下對樣品進行退火處理，發(fā)現樣品的深能級缺陷發(fā)光同VZn或VZn相關的復合缺陷（用VZn-R表示）、Oi相關的復合缺陷(Oi-R)關聯(lián).用XPS進一步分析也證明納米棒內部處于氧過量狀態(tài)，說明樣品存在

7、較多的VZn/VZn-R缺陷，還存在Oi/Oi-R缺陷.我們用電子順磁共振技術測試了樣品，發(fā)現g～1.96處存在兩個信號，1.9524和1.9443，分別來自于AZn-和InZn0缺陷.同時測量了樣品在H2氣和空氣下退火后的EPR變化，聯(lián)合PL和EPR的退火變化關系可以推斷樣品的深能級發(fā)光主要來源于VZn-或者VZn-R，而Oi相關的缺陷發(fā)光出現在更低能紅光區(qū)域.值得注意的是用氙燈產生的白光照射樣品后，g～1.96信號逐漸減弱，撤去光照

8、后又逐漸恢復，具有很好的重復性，說明樣品初始狀態(tài)（無光照）下VZn和InZn缺陷主要以順磁中心價態(tài)存在，而VZn-相關的缺陷可能是具有順磁態(tài)的復合缺陷(InZn+-VZn-)0.通過二價態(tài)躍遷模型進一步討論了缺陷的光致電離動力學過程.另外超晶格納米棒在室溫下表現出明顯的鐵磁性，可能來源于自補償效應產生大量的VZn.
　　3.(1)利用化學氣相傳輸方法，1480℃下蒸發(fā)ZnO和In2O3混合物粉末首次成功制備出ZnO納米帶-In2O

9、3八面體顆粒的復合結構.這種復合結構的主體部分為ZnO納米帶，而納米帶的頭部則附著一顆In2O3八面體納米顆粒.我們根據已有的文獻報道提出了這種復合結構的生長機制，其中In2O3八面體納米顆粒在生長過程中起到自催化的作用.另外通過PL發(fā)光揭示In2O3顆粒還能使得納米帶的表面部分鈍化，從而導致近帶邊發(fā)射增強，深能級發(fā)射減弱.最后聯(lián)合EPR結果，初步確認PL譜中的深能級發(fā)光可能來自于氧空位.(2)通過改變In摻人量，用氣相法制備了In摻雜