ZnO及ZnO-Ag納米棒的兩步法制備研究.pdf

1、氧化鋅是一種在室溫下具有帶隙為3.37eV、激子束縛能為60meV的n型直接帶隙半導(dǎo)體。由于具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能，其在紫外發(fā)光二極管、激光器、藍(lán)綠光等多種發(fā)光器件、太陽能電池、顯示屏和照明等方面具有重要的應(yīng)用前景。采用水熱法制備摻雜ZnO納米棒不僅具有如溶膠-凝膠法、射頻磁控濺射法(RF-sputtering)等常規(guī)方法制備樣品所具有的優(yōu)點(diǎn)，而且成本低，工藝簡(jiǎn)單，易摻雜。此外，Ag摻雜ZnO是一種潛力很大的p型ZnO摻雜方法。本文采

2、用兩步法制備了不同形貌的純ZnO納米棒及Ag摻雜ZnO納米棒，主要采用掃描電子顯微鏡、X射線衍射、分光光度計(jì)和PL譜詳細(xì)研究了各實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)ZnO納米棒和Ag摻雜ZnO納米棒形貌和光學(xué)性質(zhì)的影響。具體研究結(jié)果如下:
　　 (1)利用熱失重法詳細(xì)研究了醋酸鋅熱解為ZnO質(zhì)量和熱量隨溫度的變化趨勢(shì)。研究結(jié)果表明:Zn(CH3COO)2.2H2O分為兩步分解:第一步，失去結(jié)晶水變成無水鹽;第二步，無水鹽分解。
　　 (2)用水熱

3、法在醋酸鋅熱解法制備的ZnO種子層上生長(zhǎng)ZnO納米棒和Ag摻雜ZnO納米棒，詳細(xì)研究醋酸鋅的不同熱解溫度和Ag離子與Zn離子的摩爾百分比（RAg/Zn）對(duì)ZnO納米棒的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明:1）所有樣品均呈現(xiàn)出ZnO-(002)、(100)、(101)、(102)、(103)、(004)特征衍射峰的六方多晶結(jié)構(gòu)。ZnO納米棒都呈現(xiàn)明顯的<002>c軸擇優(yōu)取向，在350℃時(shí)結(jié)晶度達(dá)到最大。在生長(zhǎng)過程中殘余應(yīng)變隨著熱解溫度的增

4、加而變松弛，宏觀應(yīng)力減小。當(dāng)T≥350℃時(shí)，ZnO納米棒中的應(yīng)力從拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變。ZnO納米棒在可見光區(qū)的平均透射率偏低。平均透射率隨著熱解溫度的增加而先增大后減小，當(dāng)T=350℃時(shí)，平均透射率達(dá)到最大。ZnO納米棒的平均端面尺寸隨熱解溫度的變化趨勢(shì)和平均透射率一致。2）Ag離子以替位的形式進(jìn)入ZnO晶格中，ZnO納米棒的c軸擇優(yōu)取向性隨著RAg/Zn的增加而減弱。當(dāng)RAg/Zn＞1.0％時(shí)，ZnO納米棒基本喪失了c軸擇優(yōu)取向。隨著

5、RAg/Zn的增加，納米棒在可見光區(qū)的平均透射率先增大后減小，吸收邊先藍(lán)移后紅移。當(dāng)RAg/Zn＜1.0％時(shí)，Ag摻雜對(duì)納米棒的端面尺寸和徑向尺寸的影響可能是平均透射率提高的主導(dǎo)機(jī)制。
　　 (3)用水熱法在直流磁控濺射制備的摻鋁氧化鋅(AZO)種子層上生長(zhǎng)不同形貌和光學(xué)性能的純ZnO納米棒和Ag摻雜ZnO納米棒，分別詳細(xì)研究了Ag離子與Zn離子的摩爾百分比(RAg/Zn）、AZO種子層和水熱法前后不同退火溫度（Ta）對(duì)純ZnO

6、納米棒和Ag摻雜ZnO納米棒的結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明:1）隨著RAg/Zn的增加，Ag摻雜ZnO納米棒的微結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的變化與銀摻雜誘導(dǎo)的納米棒的端面尺寸變化有關(guān)。濺射15min的AZO種子層上生長(zhǎng)的ZnO納米棒在可見光區(qū)的發(fā)光峰明顯強(qiáng)于濺射10min的AZO種子層上、相同RAg/Zn條件下生長(zhǎng)的ZnO納米棒。Ag摻雜產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷增多導(dǎo)致可見光區(qū)PL波包較寬。2）樣品的半高寬和宏觀應(yīng)力，平均端面部尺寸，平均透過率和發(fā)光強(qiáng)

7、度取決于水熱法前后的退火溫度。XRD結(jié)果表明，所有退火的ZnO納米棒<002>c軸擇優(yōu)取向具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，但(002)峰的強(qiáng)度隨退火溫度而變化，前退火生長(zhǎng)的ZnO納米棒在Ta=300℃達(dá)到最大值，而后退火生長(zhǎng)的ZnO納米棒在Ta=200℃達(dá)到最大值。在可見光區(qū)的平均透過率先增加后減小，隨著溫度的升高，都在Ta=300℃達(dá)到最大值。在可見光區(qū)的發(fā)光強(qiáng)度隨著溫度的先降低后增加。
　　 (4)對(duì)于分別用醋酸鋅熱解法和用直流磁控濺射