SnO2基納米顆粒結(jié)構(gòu)、光學(xué)、介電和磁學(xué)性能研究.pdf

1、在所有金屬氧化物半導(dǎo)體中，SnO2是一種典型的寬帶隙半導(dǎo)體，具有豐富的納米結(jié)構(gòu)。SnO2是 n型半導(dǎo)體，其 n型導(dǎo)電是由于在金紅石四方結(jié)構(gòu)中存在大量氧空位。SnO2在300K時(shí)具有3.6eV的直接帶隙。SnO2的高導(dǎo)電和高透明特性使其成為在微電子、光電子和自旋電子器件等應(yīng)用領(lǐng)域的理想候選材料。人們對(duì) SnO2納米晶材料日益增長的研究興趣在于其大的表面體積比和量子限制效應(yīng)。改變材料性質(zhì)的方法之一是摻雜。引入合適的摻雜劑將導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)和缺陷化

2、學(xué)的改變，從而引起電、光和磁性質(zhì)的變化。直流（AC）測(cè)量是研究材料動(dòng)態(tài)特性（電導(dǎo)、電容和介電損耗）的重要手段，可提供在相對(duì)低電導(dǎo)率時(shí)材料內(nèi)部的全部信息并且?guī)椭鷧^(qū)分局域和自由帶傳導(dǎo)。高的缺陷密度（如氧空位）可導(dǎo)致 SnO2納米顆粒的缺陷態(tài)光致發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)，并使其磁性也得以增強(qiáng)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在未摻雜和摻雜SnO2納米顆粒中，顆粒尺寸均隨著燒結(jié)溫度的升高而長大，同時(shí)晶粒生長增強(qiáng)，結(jié)晶性能提高。在低的燒結(jié)溫度下，這些納米顆

3、粒處于貧氧態(tài)，存在大量的氧空位。隨著燒結(jié)溫度增加，氧含量增加，Sn2+向完全氧化態(tài) Sn4+轉(zhuǎn)變，因而晶體質(zhì)量得以提升。在低的燒結(jié)溫度下，可見光區(qū)域的發(fā)光強(qiáng)度得以增強(qiáng)，這是由于存在大量的缺陷密度；隨著燒結(jié)溫度的提高，缺陷密度降低，顆粒尺寸長大，可見光發(fā)光強(qiáng)度降低。所有 SnO2納米顆粒的禁帶寬度均大于體材料的禁帶寬度（3.6eV），并且隨著燒結(jié)溫度的增加略微增加，這與燒結(jié)溫度有關(guān)。在低燒結(jié)溫度下獲得的小尺寸納米顆粒中，存在大量的晶界和氧

4、空位，具有更好的介電性能。隨著燒結(jié)溫度的增加，介電常數(shù)降低，這是由于在大尺寸下，隨著低電導(dǎo)率的晶界數(shù)量降低和氧空位減少，電極性降低。在高頻區(qū)域，我們觀察到介電離散特性、松弛峰和電導(dǎo)率的增加。這種離散特性和電導(dǎo)率的增強(qiáng)，主要是由于麥克斯韋-瓦格納界面極化和電荷載體在Sn2+/Sn4+之間的跳躍。同時(shí)，高燒結(jié)溫度下電導(dǎo)率的增加也歸因于具有較高導(dǎo)電率的晶粒長大的結(jié)果，這使低導(dǎo)電率的晶界所占的比重降低。隨著燒結(jié)溫度的增加，室溫鐵磁性得以增強(qiáng)，飽

5、和磁化強(qiáng)度降低，這是由于在高溫下氧空位降低引起的。⑵在Zn摻雜SnO2納米顆粒中，隨著摻雜濃度的提高，不僅顆粒尺寸減小，而且氧含量降低，這說明小尺寸納米顆粒中含有更多的氧空位。Zn2+摻入 SnO2晶格取代 Sn4+格位，同時(shí)伴隨氧空位產(chǎn)生。隨著 Zn摻入量的增加，會(huì)產(chǎn)生大量的氧缺陷，因而可見光區(qū)域的發(fā)光得到增強(qiáng)。所有摻雜 SnO2納米顆粒的光學(xué)帶寬均大于 SnO2體材料的禁帶寬度（3.6eV）。帶寬的增加主要是由于更小的顆粒尺寸和 B

6、urstein-Moss（BM）效應(yīng)。隨著 Zn含量的增加，介電性能得以提升，這主要是由于存在大量的氧空位，而且在小尺寸的納米顆粒中低導(dǎo)電率的晶界所占的比重增加。在高頻區(qū)域電導(dǎo)率的突然增加和介電離散行為主要是由于電荷密度的增加和躍遷過程的增強(qiáng)。⑶在(Zn,Co)共摻雜 SnO2和(Zn,Cu)共摻雜 SnO2納米顆粒中，Zn2+、Co2+、Cu2+雜質(zhì)的摻入引起了氧空位的增加。隨著摻雜濃度的增加，顆粒尺寸變小，氧含量降低，因而存在大量的

7、氧空位缺陷。SnO2納米顆粒的光學(xué)帶寬高于體材料的禁帶寬度（3.6eV），這與小尺寸的限制效應(yīng)和摻雜濃度的增加有關(guān)。本文中觀察到的帶寬增加主要是由于小尺寸和BM效應(yīng)引起的。隨著摻雜濃度的增加，顆粒尺寸減小，氧空位濃度增加，可見光發(fā)光增強(qiáng)。在小尺寸納米顆粒中，有大量的低電導(dǎo)率的晶界，介電常數(shù)和松弛峰增強(qiáng)。在高頻下的電荷密度和躍遷過程的增強(qiáng)可引起電導(dǎo)率的突然增加。隨著摻雜濃度的增加，觀察到室溫鐵磁特性，且飽和磁化強(qiáng)度增加，這主要是氧空位增加