稀土摻雜ZnO納米顆粒的制備及光學(xué)性能研究.pdf

1、摻雜是改變半導(dǎo)體物理性質(zhì)的重要手段。稀土摻雜的納米晶體由于在室溫條件下都具有高效的光學(xué)特性，在制備集成光電器件如可見光器件（藍(lán)，綠，紅）等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。ZnO是一種良好的寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)光材料，作為稀土摻雜改性中的基體材料是一種相當(dāng)好的選擇。將稀土離子摻到ZnO中，能使摻雜后的ZnO具有不同于本征ZnO的新特性。進行適當(dāng)?shù)膿诫s可以提高它的光、電、磁等性能并應(yīng)用于許多方面。由于納米材料具有與宏觀體材料不同的特性，研究者們試圖制備出

2、納米級的ZnO摻雜材料，并取得了一系列成果。然而，稀土離子半徑遠(yuǎn)大于鋅離子，且兩者價態(tài)不一致，因此很難把稀土離子有效地?fù)诫s進入ZnO晶格中。
　　 本文采用溶劑熱法制備了稀土元素Eu和Tb摻雜的ZnO納米顆粒。通過調(diào)整顆粒的形成條件和生長工藝，實現(xiàn)了對良好結(jié)晶稀土摻雜納米顆粒的控制生長。通過改變稀土元素的摻雜量，研究不同稀土元素?fù)诫s量對納米顆粒形貌、粒徑以及光學(xué)性能的影響。實驗中主要采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微電鏡(S

3、EM)、透射電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜(Raman)、光致發(fā)光光譜(PL)等表征方法對樣品的進行表征。研究了材料的物象和微觀結(jié)構(gòu)，研究了材料的光學(xué)性能及其演化規(guī)律，研究了材料結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系。具體發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論:
　　 1.采用溶劑熱法制備的ZnO∶Eu和ZnO∶Tb顆粒為高結(jié)晶度不規(guī)則球型納米顆粒，其中ZnO∶Eu顆粒大小約為18～26nm，ZnO∶Tb顆粒大小為18～28nm。兩種稀土元素?fù)诫s的ZnO晶體均為六角纖鋅礦

4、結(jié)構(gòu)，和純ZnO結(jié)構(gòu)基本一致。通過高分辨分析發(fā)現(xiàn)，Eu元素在ZnO的晶格中均勻分布，未有單獨的Eu2O3顆粒。450℃退火處理的ZnO樣品中，發(fā)現(xiàn)明顯的晶格畸變現(xiàn)象。由于稀土離子和Zn離子半徑的不同和電荷不匹配，稀土離子進入晶格后必然導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變，這些晶格畸變反應(yīng)了Eu離子確實進入了ZnO的晶格。
　　 2.通過摻雜能使晶粒發(fā)生明顯的細(xì)化作用。摻入Eu元素后，同樣制備條件下，納米顆粒的大小下降約12.45～27.20％，由

5、純ZnO的20.64～27.32nm，下降到18.07～22.98nm;摻入Tb元素后，同樣制備條件下，納米顆粒的大小下降約5.75～15.94％，由純ZnO的20.64～27.32nm，下降到17.35～25.75nm。隨著退火溫度升高，樣品顆粒增大，且均勻性變差，團聚現(xiàn)象更明顯。同時，隨著退火溫度的提高，在高溫退火條件下，稀土元素有表面聚集的現(xiàn)象。
　　 3.進行稀土摻雜后，樣品的發(fā)光性能出現(xiàn)新的變化，在原來的藍(lán)綠光的基礎(chǔ)上

6、，出現(xiàn)較弱的紅色發(fā)光峰。在光致發(fā)光光譜中觀察到了源于Eu3+的5D0→7F1，5D0→7F2，5D0→7F0等躍遷。通過對激光熒光光譜分析，證明了ZnO基質(zhì)和Eu離子發(fā)光中心存在能量傳遞。通過觀察熒光峰的劈裂情況，可以發(fā)現(xiàn)稀土離子在晶格中位置占據(jù)情況出現(xiàn)了變化。450℃退火條件下，發(fā)生晶格畸變現(xiàn)象的ZnO∶Eu樣品在約613nm處的5D0→7F2躍遷峰有三個熒光劈裂峰，反應(yīng)了稀土離子占據(jù)ZnO晶格中的C3對稱性位置。而700℃退火的Zn