ZnO纳米带的光学性能研究 - 图文(4)

3.2.2 In掺杂ZnO纳米带

与已报道的由ZnO和In2O3粉合成的In掺杂ZnO极性纳米带相比

[18,19]

，卢会清等人合成的ZnO纳米带宽度约大于他们的4倍，如图11所

示为卢会清等人合成的In/ZnO纳米带的SEM图[20]。为了更好的比较，他们又合成了ZnO纳米线，这些ZnO纳米线除未添加金属In外，其它合成条件都与In/ZnO纳米带相同。如图12所示的为室温下的光致发光谱，ZnO纳米线的发光谱是有两个发光峰组成，一个是近带边发射峰，其位于383nm来自自由激子辐射复合；另一个发光峰位于496nm，通常认为是由于单价氧空位中的电子与价带中空穴的复合。前者与后者的发光积分强度比约4.5∶1。而In掺杂的ZnO纳米带具有相似的发光积分强度比约1∶5，与ZnO纳米线相比，纳米带的紫外峰相对强度明显降低，且绿光发射带展宽，可能是由于重掺杂In所导致的同时In的重掺杂将产生更多的氧空位缺陷，使绿光发射增强。

图11 In/ZnO纳米带的SEM图[20] 图12 In掺杂的ZnO纳米带与未杂的ZnO

纳米线的室温光致发光谱[20]

In掺杂的ZnO纳米带的可见发光明显比无掺杂的ZnO纳米线增强，这可能是由于In的重掺杂导致晶格扭曲而产生一些与可见光相关的缺陷。

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3.2.3 Ga和Sb掺杂ZnO纳米带

张跃小组也对ZnO纳米带进行了掺杂研究，他们通过掺杂Ga和Sb（锑）等物质，研究掺杂后ZnO纳米带的拉曼光谱[21]。如图13和图14所示，和纯ZnO纳米材料相比，Ga的掺杂导致A（峰位红移了5cm-1，1LO）而Sb的掺杂导致了在761cm-1出现了新的掺杂峰。

图13 Ga掺杂ZnO纳米带拉曼光谱

[21]

[21]

图14 Sb掺杂ZnO纳米带拉曼光谱

4 ZnO纳米带的应用

ZnO纳米材料是一种非常重要的半导体材料，它具有很宽的直接带隙(3.37eV)和很大的激子结合能(～60meV)，以及良好的压电性、气敏性等。块体和薄膜ZnO材料被广泛地研究，并在场发射、太阳能电池、化学传感器及其他方面有广泛的应用。而形状为带状的ZnO纳米带以其统一的几何尺寸，较少的线性缺陷，同样具有很重要的应用前景，下面主要综述了其光学性能方面的应用。

4.1 ZnO纳米带激光器

2003年Yan等对用ZnO纳米带制成的纳米激光器做了系统的研究

[22]

。他们将制备好的ZnO纳米带用超声分散，沉积到蓝宝石基底上，用

飞秒激光器作为激发源观察了纳米带的光致发光。图15为ZnO纳米带光致发光谱图，反映了在不同的激发强度下，纳米带紫外发射的情况。

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Yan等指出，随着激发强度的增加，发射特征峰变窄并增强，说明发生了由自发辐射向受激辐射的转变。更多的谐振模式也随激发强度的增强而出现。

同样，2004年Kazuki Bando等也对ZnO纳米带纳米激光器做了报道

[23]

。他们将ZnO纳米带首先进行退火处理，然后利用超声切割成约10μm

长、2μm宽、100nm厚(如图16中插图所示)，并分别用连续波长激光和不同强度的脉冲激光作为激发源，其纳米带光致发光谱如图16所示。

图15 ZnO纳米带紫外发射光谱[22] 图16 ZnO纳米带在不同激发强度下的发射光谱[23]

Kazuki Bando等认为ZnO纳米带自身构成了一个光学谐振腔，纳米带的两个端面作为谐振腔的发射镜，受激辐射产生的光子在纳米带内部经过选模放大，最后发射出来。与Yan等的观察结果不同的是，Kazuki Bando等发现纳米带的两端和侧面都有激光发射出来，他们解释为由于纳米带表面的粗糙，使激光发散出来，并同样以法布里—柏罗谐振腔为模型推导出激光谐振模式能量间隔与纳米带长度成反比[3]‘；。

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4.2 抗菌机理

纳米ZnO具有很高的光催化活性，是一种光催化半导体抗菌剂。作为一种半导体，ZnO是直接跃迁、宽禁带半导体材料( Eg=3.37eV)[24]，相当于波长为368nm光子的能量[25,26]，有较高的激子束缚能(～60meV)，当能量大于或等于能隙的光(h?≥Eg )照射时，纳米ZnO吸收能量高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁，自行分解出自由移动的带负电的电子(e－)，同时留下带正电的空穴(h+)，形成空穴-电子对，空穴可以激活氧和氢氧根，使吸附于其上的水和空气变成活性的氧和氢氧根，它们具有很强的氧化还原作用，损伤细菌的细胞膜而产生杀灭细菌的作用。

5 前景展望

目前，对ZnO纳米带的研究，主要是进一步研究开发更简单的合成方法，研究其特殊结构以并发现其特殊性能，来合成新型纳米材料等。而对其中大部分只是研究在室温下的光谱，随着技术的发展，慢慢地会拓展到其它温度，甚至会近似到更低的范围。迄今，人们根据ZnO纳米带独特的准一维结构、规则的外形、极少的线性缺陷以其优良的光学性能，已经利用ZnO纳米带材料制成激光器等光学仪器了。同样，ZnO纳米带又具有优良的电学性质和很好的生物可溶性，使其在纳米电子器件制作中和生物医学方面都有多方面的应用。ZnO纳米带的研究应用前景非常广阔，它不只限于光学性能的研究，其电学、声学等方面都有很广的研究空间，能在工业、科技、军事等领域起到很重要的作用。

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参考文献

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