Zn1-xCuxO微納結構的制備及其光學磁學性質研究.pdf

1、微納米材料的物理化學性質與其成分、形狀和尺寸有著密切的關系。目前,對ZnO微納材料的可控制備、表征與應用研究引起了材料、物理、化學等領域研究人員的廣泛興趣。在本文中我們選擇了Cu摻雜ZnO體系作為研究對象。與其他過渡金屬摻雜元相比,Cu摻雜不僅是一種實現(xiàn)室溫鐵磁性有效的摻雜元,而且具有其自身的優(yōu)勢:如銅替代鋅的摻雜為p型,銅離子半徑與鋅離子離子半徑差異較小,摻雜所需要的結合能低等。此外,由于Cu及其氧化物都是非磁性的,這種不會產(chǎn)生磁性沉

2、淀的摻雜有利于我們研究稀磁半導體磁性的來源。目前為止,人們已經(jīng)在實驗上通過各種方法實現(xiàn)了Cu摻雜的ZnO樣品的制備,但對Cu摻雜ZnO磁性的來源是外部Cu引入還是來源于本征結構的缺陷仍然存在一些爭議;而且目前的文獻報道主要集中在體材料與薄膜中,只有較少關于C u摻雜ZnO—維納米結構報道(如一維的納米線,納米棒以及納米釘?shù)?。而ZnO球殼結構以及三維分層結構具有特殊的結構和獨特的性能,設計和可控制備球殼結構以及分層結構材料在材料制備領域

3、受到了人們廣泛的關注。如球殼結構具有獨特的幾何外形和大的比表面積,與一維納米結構相比在高性能催化劑,傳感器,藥物傳輸,能量存儲等方面存在潛在的規(guī)模應用。由一維結構納米材料構筑的ZnO三維分層結構有望于應用復合功能納米電子器件中(如氣體傳感器,光催化產(chǎn)氫等)。所以制備銅摻雜的ZnO磁性球殼結構與實現(xiàn)分層結構的制備是十分必要而且重要的。據(jù)我們所知,目前還沒有關于銅摻雜ZnO磁性球殼結構與Zn^CuxO三維分層微十字架結構相關的報道。

4、　　本文主要集中于探索Zn^CuxO空球殼結構與分層結構的方法,并對所制備的微納結構進行詳細表征,研究了Cu摻雜前后對樣品形貌與結構的影響,并解釋其生長機理;在性質方面,探討了Cu引入對 ZnO光學性質的影響;在應用方面,對所制備的Cu摻雜ZnO空球殼結構的磁性進行了研究。實驗上,在制備ZnO球殼結構與分層結構等復雜結構的過程中通常需要較高的反應溫度,復雜多步的反應步驟,或者會因模板或催化劑的使用而引入一些雜質,這些都不利于所制備的納米

5、結構在器件上的應用。因此,用一種簡單,低溫,無催化,可控的方法制備出具有新穎或潛在應用價值的復雜結構仍然是一個挑戰(zhàn)。迄今為止,在各種制備ZnO微納結構的方法中,化學氣相沉積法被證明是一種有效的易于生長出多種形貌的納米結構的合成方法。通過化學氣相沉積法成功地制備出Cu摻雜ZnO空球殼結構。通過改變生長條件,研究樣品的形貌,結構變化,我們對其生長機理進行了探討。對其光學性質研究發(fā)現(xiàn),C u摻雜使得ZnO可見區(qū)發(fā)光顯著增強。制備出的球殼結構具

6、有室溫鐵磁性,其磁性來源于Cu引入產(chǎn)生的大量缺陷。缺陷會導致磁性的增強,我們可以通過改變摻雜濃度來調控磁性的強度。
　　本文用簡單無催化的氣相沉積法實現(xiàn)從一維納米棒到ZnkCuxO三維分層的微十字架結構的制備。該方法的要點是利用了高溫有利于Cu的聚集、成核、分支外延生長等。高含量的Cu的引入實現(xiàn)了通常ZnO六方結構向四方對稱結構的轉變。我們還發(fā)現(xiàn)本方法所制備的單個Zni_xCuxO微十字架結構由于C u濃度分布的不同而顯示出有趣的

7、不均勻發(fā)光現(xiàn)象。此外, ZnO中高的激子束縛能量大(60 meV)導致室溫下高濃度的激子的產(chǎn)生,這將有利于ZnO在低的激發(fā)能量密度下產(chǎn)生激光現(xiàn)象,從而在短波長發(fā)光器件與激光器件中表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。因而在本文?我們也選擇了ZnO的激光發(fā)射性質進行研究。通過化學氣相沉積法實現(xiàn)了納米線環(huán)繞納米管,納米管組裝微球殼等復雜的Z n O微納結構的制備,從實驗上觀察到隨機激光發(fā)射信號。在ZnO納米塔結構中發(fā)現(xiàn)其具有固定模式的激光發(fā)射峰,通過理論