新型氧化鋅(ZnO)納米結(jié)構(gòu)的合成生長機理和光學(xué)性能研究.pdf

1、氧化鋅在半導(dǎo)體家族中是一種十分重要的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶直接帶隙材料，它的禁帶寬度可達3.37eV，有著很大的激子結(jié)合能，可達到60meV，納米氧化鋅同時具有納米材料和半導(dǎo)體材料兩大優(yōu)異性質(zhì)，特別是納米氧化鋅以其特有的發(fā)光特性受到了眾多研究者的關(guān)注，氧化鋅納米結(jié)構(gòu)在電子、光子、傳感和光電納米器件上有很大的應(yīng)用潛力。因此，對新型氧化鋅納米結(jié)構(gòu)及其光學(xué)性質(zhì)的研究具有重要意義。
　　熱蒸發(fā)合成方法以其方法簡單、合成的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)晶體性好而被

2、廣泛使用。本文采用熱蒸發(fā)沉積法通過對生長溫度、壓力、載氣氣流等參數(shù)的優(yōu)化控制，利用金納米顆粒作為催化劑分別在9000C和9500C合成了納米梳和納米旗兩種新型氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，并針對不同氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的生長特性以及其所呈現(xiàn)的不同光學(xué)性質(zhì)進行了深入研究。
　　利用 SEM、TEM、EDX和 X射線透射顯微技術(shù)表征兩種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的形貌和成分，氧化鋅納米梳的外形結(jié)構(gòu)類似一個三角梳包括梳背和梳齒兩部分，納米旗由旗桿和四方形旗片兩部分組成

3、。金納米顆粒位于氧化鋅納米梳梳柄頂部和納米旗旗桿頂部，說明這兩種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)生長都遵循VLS生長機理。利用透射電子顯微鏡（TEM）對兩種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)做了詳細分析，從TEM選區(qū)電子衍射得出兩種不同氧化鋅納米結(jié)構(gòu)都是單晶，且都屬于六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，在金催化劑的引導(dǎo)下氧化鋅納米梳的梳柄生長方向是[011]，梳齒的生長方向是[0001]，金催化劑引導(dǎo)氧化鋅納米旗的旗桿生長方向是[010]，旗片的生長方向也是[0001]。在

4、高分辨 TEM(HRTEM)下觀察到氧化鋅納米梳的梳齒尖端和梳齒根部拐角處有很多由點缺陷、線缺陷和應(yīng)變造成的層錯，這些缺陷誘導(dǎo)納米梳的梳齒成核生長且朝著低能晶面（0001）面生長。相對于納米梳，納米旗的缺陷相對較少，只是在納米旗的頂端合金處和旗片與旗桿連接拐角處存在一些缺陷。由于納米梳的生長溫度相對較低，所以產(chǎn)生較多的缺陷而使納米梳梳齒生長從而形成納米梳結(jié)構(gòu)。另外，兩種納米結(jié)構(gòu)的 STXM-XANES圖譜中都沒有任何雜質(zhì)元素。
　

5、　利用325nm的紫外燈照射兩種不同形貌的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，分別發(fā)出了不同的光，納米梳發(fā)黃綠光，納米旗發(fā)較弱的綠光。為了研究這兩種不同氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光性質(zhì)，分別使用了陰極射線發(fā)光（CL）、光致發(fā)光(PL)和 X射線熒光(XEOL)三種熒光測試方法從不同角度分析了氧化鋅的發(fā)光特性，CL發(fā)光是電子作為光源，電子激發(fā)可獲得價帶和淺核電子的信息；PL和XEOL都是以光子作為光源，光子的穿透深度比電子的穿透深度深，并且XEOL中的X射線的能量最

6、高探測深度最深，更重要的特點是，XEOL使用同步輻射 X射線激發(fā)光源可以選擇性激發(fā)不同化學(xué)環(huán)境下的核殼電子從而提供材料發(fā)光中心的相關(guān)信息。納米氧化鋅的形貌不同產(chǎn)生了近邊能帶發(fā)光（NBG）與綠光缺陷發(fā)光(DE)的之間的發(fā)光強度比例的不同。測得的納米梳的CL、PL和XEOL光譜圖均有兩個特征發(fā)射峰，一個是紫外區(qū)378nm的近邊能帶發(fā)射峰，一個是綠光區(qū)517-530nm的缺陷發(fā)射峰；納米旗的CL、PL光譜圖只有一個380nm的近邊能帶發(fā)射峰，

7、而它的XEOL光譜圖有兩個特征峰，一個是380nm的近邊能帶發(fā)射峰，另一個是綠光區(qū)517-530nm的缺陷發(fā)射峰。這是由于納米旗的結(jié)晶性高于納米梳，缺陷少。兩種納米結(jié)構(gòu)的XEOL光譜分別通過激發(fā)Zn-L邊和O-K邊，得到隨著激發(fā)能量的增加DE強度都顯著增強，說明兩種納米結(jié)構(gòu)的缺陷發(fā)光與Zn和O之間都有關(guān)聯(lián)，根據(jù)文獻報道，我們認為納米梳和納米旗中的氧空位和鋅填隙都對缺陷發(fā)光有貢獻。相比于CL和PL，XEOL光譜探測到更強的缺陷發(fā)光，因此我