金屬離子注入固體材料納米顆粒合成、熱演變及光學性質研究.pdf

1、本論文利用金屬離子，如Zn和Cu，注入到三類固態(tài)材料，即SiO2、Al2O3和單晶Si中，借助于紫外-可見光吸收譜儀(UV-Vis)、X-射線衍射譜儀(XRD)、橫截面試樣的透射電子顯微鏡(XTEM)、原子力顯微鏡(AFM)、光致發(fā)光譜儀等詳細地研究了納米顆粒形成、熱演變以及相關的光學性質，具體研究內(nèi)容及結果如下：
　　 (1)利用45 keV Zn離子注入SiO2，劑量分別為5×1015、1×1016、5×1016和1×101

2、7 ions/cm2，系統(tǒng)地研究Zn納米顆粒的形成與劑量的依賴關系以及Zn納米顆粒在氧氣氣氛下退火的演變過程。注入劑量在5×1016 ions/cm2劑量時觀測到了最佳Zn納米顆粒的等離子體共振峰(SPR峰)。當退火溫度升高到600℃時，Zn納米顆粒完全被氧化并形成了ZnO納米顆粒，而700℃時退火時會反應生成Zn2SiO4納米顆粒。
　　 (2)采用45 keV Zn離子注入到SiO2樣品，劑量為5.0×1016 ions/c

3、m2，重點研究了三種不同氣氛下Zn納米顆粒的熱演變，即氧氣、氮氣及先氮氣后氧氣順次退火。在氧氣氣氛下退火的樣品和在先氮氣后氧氣氣氛下退火的樣品中均能發(fā)現(xiàn)具有(002)和(103)取向的ZnO的納米顆粒。而氮氣氣氛下只有Zn納米顆粒的生長。光致發(fā)光結果表明了在先氮氣后氧氣氣氛下退火的樣品中能形成具有較強紫外發(fā)光的高質量的ZnO納米顆粒。
　　 (3)采用500keV、2.0×1016 ions/cm2的Xe離子輻照1×1017 i

4、ons/cm2、45keV Zn離子預注入的SiO2，重點研究了重離子輻照對Zn和ZnO納米顆粒形成及其光學性質的影響。研究結果表明，未經(jīng)Xe離子輻照的SiO2樣品中熱氧化形成的ZnO納米顆粒不僅形狀不規(guī)則，而且大小分布非常不均勻(5-30nm)，而經(jīng)Xe離子輻照的樣品中制備的ZnO納米顆粒呈現(xiàn)近乎球形形狀，其直徑分布大在3-7 nm一個較小的范圍。盧瑟福被散射(RBS)對輻照前后Zn分布剖面分析結果顯示，Xe離子輻照使得Zn較為均勻地

5、分布在樣品中一個寬的區(qū)間內(nèi)，隨后氧氣氣氛下的熱處理使得Zn均勻成核和氧化，因而形成了尺寸較小且尺寸分布相對均勻的ZnO納米顆粒。
　　 (4)采用1.0×1017 ions/cm2、45 keV Cu離子注入α-Al2O3單晶，研究了Cu納米顆粒在真空和氧氣兩種退火氛圍下的熱演變。研究結果顯示，在300-600℃溫度范圍內(nèi)，真空中退火幾乎對Cu納米顆粒的生長不起作用，而氧氣氣氛下退火則不僅促使了Cu納米顆粒的氧化形成CuO納米顆

6、粒，而且還大大地促進了納米顆粒的熱生長。
　　 (5)采用1.0×1017 ions/cm2，45 keV Zn離子注入α-Al2O3單晶，重點研究Zn離子注入缺陷以及Zn納米顆粒熱氧化對α-Al2O3光學性能的影響。研究結果顯示，Zn離子注入引入了大量的F型缺陷使得樣品具有很強的缺陷發(fā)光。由于ZnO發(fā)光和Al2O3缺陷發(fā)光的疊加，600℃退火后樣品的發(fā)光峰出現(xiàn)了顯著的增強。
　　 (6)采用1.0×1017 ions/