離子注入法制備銀摻雜氧化鋅納米線陣列及發(fā)光性質(zhì)研究.pdf

1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料,室溫下禁帶寬度達(dá)到3.37eV,束縛激子結(jié)合能高達(dá)60meV,具有很好的光電、光敏、壓電、壓敏特性,在可見光區(qū)域內(nèi)有較大的透光率,是制備紫外光探測器、激光器二極管、發(fā)光二極管、太陽能電池等器件的優(yōu)選材料。為了能讓ZnO廣泛應(yīng)用于各類光電器件,有必要對ZnO進行摻雜來改善其物理和化學(xué)性能。離子注入技術(shù)是當(dāng)今一種重要的半導(dǎo)體材料摻雜技術(shù)。
　　 采用熱蒸發(fā)氧化鋅和石墨粉末混合物的方法,在

2、硅襯底上合成了氧化鋅納米線陣列,然后采用能量為63keV、劑量為5×1015ions/cm2的銀離子對其進行離子注入摻雜。摻雜后樣品在空氣中退火,退火溫度為600到1000℃。利用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、選區(qū)能譜儀和熒光分光光度計研究了制備態(tài)和銀離子注入氧化鋅納米線陣列的結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能。
　　 改進反應(yīng)室結(jié)構(gòu)后,反應(yīng)源溫度為920℃、載氣流量為60sccm條件下制備的ZnO納米線陣列的定向性、結(jié)晶質(zhì)量是最好

3、的。樣品在源溫度920℃條件下定向性最好,溫度過低不利于ZnO納米線陣列密集生長,而溫度過高導(dǎo)致Zn原子二次蒸發(fā)因而也不利于納米線陣列的定向和擇優(yōu)生長。在60sccm載氣流量下生長的納米線陣列致密性最好,這與單位時間內(nèi)合金液滴析出ZnO晶體的數(shù)量有關(guān)。改進反應(yīng)室結(jié)構(gòu)后,納米線陣列的致密性、定向性和結(jié)晶質(zhì)量有了很大改善,這主要是由于反應(yīng)產(chǎn)生的Zn蒸汽被壓縮在小的石英管內(nèi),使得襯底單位面積上獲得了更多的Zn蒸汽顆粒。在發(fā)光性能方面,由于Zn

4、O納米線在缺氧氛圍下生長,氧空位是缺陷存在的主要形式,因此所有樣品都有較強的綠光發(fā)射。溫度升高導(dǎo)致納米線生長速度提高而增加了氧空位缺陷數(shù)量,從而使樣品綠峰強度增強并在源溫度920℃時達(dá)最大值,但溫度的進一步升高可導(dǎo)致ZnO納米線表面Zn元素的蒸發(fā)而降低氧空位缺陷的數(shù)量,從而抑制綠峰強度。改進反應(yīng)室結(jié)構(gòu)后,在載氣流量為60sccm條件下制各的樣品有最強的近紫外帶邊發(fā)射,表明樣品晶體結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化。
　　 透射電鏡、高倍透射電鏡和選

5、區(qū)能譜分析表明,離子注入和退火實現(xiàn)了對ZnO納米線的銀摻雜。X射線衍射結(jié)果表明,注入后樣品仍保持六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)。離子注入對ZnO納米線造成了結(jié)構(gòu)損傷,這種損傷可通過選擇合適的溫度退火得以恢復(fù)。離子注入引進了很多缺陷,造成樣品的紫外發(fā)射和可見光發(fā)射均受到抑制。離子注入對PL譜強度的抑制效應(yīng)可通過退火來消除。當(dāng)退火溫度超過650℃時,Ag離子注入ZnO納米線的紫外發(fā)光強度比純的ZnO納米線更高,這歸因于能夠引起光生載流子快速擴散的Ag原子替