ZnO纳米带的光学性能研究 - 图文(2)

中加入了尿素作为模板来控制纳米带的成核和生长，并将一定量的ZnSO4和尿素溶液放人聚四氟乙烯制作的高压釜中，再加入一定的NaOH溶液，使pH值达到14[12]。将配好的溶液放入烤箱中，在160℃条件下烘烤12h，最后取出清洗、干燥，得到的白色产物就是ZnO纳米带。再通过TEM图像发现，ZnO纳米带沿长度方向具有统一的宽度，其宽度和厚度分别为20～400nm和10～20nm，较长的纳米带长度达到了几微米。HRTEM图形显示，纳米带表面结构均匀，没有明显的缺陷，这一性质与通过气相方法制备的纳米带是一致的。

2005年，Gui等人通过Zn(CH3CO2)2和肼的水溶液发生水热反应制备了ZnO纳米带，然后将ZnO纳米带在空气气氛下经500加热保温3h，经扩散可形成了多孔的ZnO纳米带

[13]

。

2.3 磁控溅射法

2005年Choopun等人通过物理的方法—射频磁控溅射法成功地合成出ZnO纳米带[14]。在实验中，ZnO纳米带产物沉积在Cu基底上，Cu在纳米结构的生长过程中发挥了很重要的作用。基底没有预先加热，没有氧气存在，用99.9﹪的ZnO粉末作为靶材，溅射室内气压抽至133.322×10-5 Pa，射频功率300W，溅射时间60min。他们指出，在一般情况下，用溅射法制备的ZnO薄膜都是透明的，而他们通过采用上述方法得到的ZnO薄膜呈白色，这说明了ZnO纳米结构存在。再通过TEM可以发现，得到的ZnO纳米结构为单晶的纳米带，其宽度约50nm，厚度10nm左右，而长度达到几微米，用这种方法同样可以制成ZnO纳米带。

2.4 热氧化法

任山等人利用金原子催化作用[15]，在锌的熔点以下用低温氧化的方法制备出了ZnO纳米带，选取纯度为99.9%的锌块用砂纸磨光，然后

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按顺序研磨金相砂纸，磨完以后放到稀盐酸溶液清洗，然后用去离子水冲洗，并浸在无水乙醇中超声清洗5min，取出用去离子水清洗，吹干表面。然后再采用PELCO SC-7仪器进行镀金，而且他们强调，要保证镀金电流为10mA。然后把镀金好的样品放置于瓷舟中，把该瓷舟置于管式炉中加热，温度为400℃，时间为2h，气氛为空气。反应完成后,取出样品，快速冷却到室温。通过这种方法制备出的产物如图5所示为其SEM形貌图，长度在6到8?m之间，厚度大约为40nm。

图5 合成的ZnO纳米带SEM形貌图[15]

3 ZnO纳米带的光学性能

ZnO纳米带的结构呈带状，几何规则，较少的线性缺陷，具有良好的光学性能，但若在前驱物中加入异种元素，一方面可以改变ZnO一维纳米结构的形貌，另一方面也可能实现ZnO半导体中有目的的掺杂，从而改变ZnO的光学、电学和磁学等性能。以下综述了纯ZnO纳米带以及Sn、In等物质掺杂对ZnO纳米带光学性能的影响。

3.1 无掺杂ZnO纳米带的光学性能

任山等人通过热氧化法合成了ZnO纳米带[15]，并对其光学性能进行研

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究，他们采用PL发光测量系统来表征（R IGAKU UV5560）ZnO纳米带的光致发光谱（PL）性质，其中的激发波长为325nm。图6所示为镀金2min的样品的PL光谱图，可以看到两个主要的峰。通过研究观察，他们发现紫外区的峰对应于ZnO本征激子的发射，而位于绿光波段的峰是由氧空位缺陷产生的发射，这是由于所合成的ZnO纳米带中缺陷所形成的发光中心。

图6 ZnO纳米带的PL光谱图[15]

3.2 掺杂一维ZnO纳米带的光学性能

3.2.1 Sn掺杂ZnO纳米带

陈红升等人采用碳热还原气相反应沉积法，通过控制反应沉积装置的温度、气氛和沉积时间等制备Sn掺杂ZnO纳米带

[16]

。利用

HITACHIF-4500型荧光光谱仪测试所得样品的光致发光性能，以氙灯为激发光源，激发波长325nm，获得了室温下的光致发光谱。所获产物的XRD图谱如图7所示。对照标准衍射谱进行标定，所有主要衍射峰与六方纤锌矿结构的氧化锌的衍射图谱相一致(JCPDS 75-576)，点阵常数a=0.3242nm，c=0.5194，未发现其他物质的衍射谱峰存在。由XRD分析可知，产物中没有生成锡的化合物，表明锡掺杂进入了氧化锌的点阵

8

位置，形成单晶结构，获得Sn掺杂ZnO纳米带。

图7 Sn掺杂ZnO纳米带的XRD谱

[16]

图8 Sn/ZnO纳米带的室温光致发光谱

[16]

图8是室温下Sn/ZnO纳米带的光致发光谱(PL)，采用的光激发波长为325nm。从谱图中可以看出，Sn掺杂氧化锌纳米带存在强的绿光发射谱峰和较弱的紫外发射谱峰两个发射峰，光致发光谱峰峰位中心分别处于494.8nm和398.4nm，图8左上角插图对应纳米带的紫外发光谱峰。近紫外发射峰起源于宽带隙(3.37eV)氧化锌的近带边激子跃迁，ZnO作为直接宽带隙半导体氧化物，激子结合能较高(～60meV)，因而可以在室温下观察到紫外发射的现象。

从陈红升等人研究的室温下测试Sn/ZnO纳米带的光致发光谱，表明了紫外发射谱峰位于398.4nm处，绿光发射峰位于494.8nm处，他们认为，实验使用的工艺条件以及具有较小离子半径、较大电荷密度锡元素的掺入，导致纳米带中产生较多的缺陷如锌空位、氧空位及间隙原子等，从而使得紫外发光峰减弱，绿光发射谱峰增强，半高宽明显增大。而掺杂元素的掺杂量对氧化锌纳米带性能的影响有待于进一步研究，这对于促进ZnO一维纳米材料在微纳米尺度功能器件方面的应用具有重要的意义。

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2009年，郭佳林等人采用热蒸发法制备了单晶Sn掺杂ZnO纳米带，并采用HITACHIF F-4500型荧光光谱仪在室温条件下测试了样品的光致发光性能(以氙灯为激发光源,激发波长为325nm) [17]。如图9所示为Sn/ZnO纳米带的SEM图谱，掺杂合成的纳米带的厚度大部分在100nm以下,纳米带的宽度从几百纳米到几微米，具有很大的宽厚比。

图9 Sn掺杂ZnO纳米带的SEM图谱 图10 Sn掺杂ZnO纳米带的室温光致发光谱

如图10是在室温下测试了样品的光致发光谱(PL)，其中采用的激发波长为325nm。Sn掺杂ZnO纳米带在445.8nm(2.79eV)处存在一个蓝光发光峰,并没有观测到激子发光峰。一般情况下只有在缺陷很少时才能观测到激子发光，本文中的样品在高温(600℃)时快速取出的，相当于对样品进行了淬火，使得高温状态下的缺陷保留了下来，所以样品中存在较多的缺陷，从而造成了激子湮灭。郭佳林等人在实验中观测到的445.8nm发光峰与从Vo的浅施主能级到价带顶的能隙宽度符合得很好。因此，他们认为445.8nm处的发光峰可能来源于从Vo的浅施主能级到价带顶的跃迁。他们还通过控制生长条件制备出不同掺杂含量的Sn掺杂ZnO纳米带，它们的发光峰与图10相接近，只有蓝光发射峰出现，且并未观察到紫外发射峰，而且Sn的掺杂含量对蓝光发光峰的影响并不明显。 …… 此处隐藏：1320字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……