SnO-,2-基材料的合成及性質(zhì)研究.pdf

1、近年來，納米二氧化錫基材料是氣敏器件應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注的功能材料之一，其應(yīng)用研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。同時(shí)，由于稀磁半導(dǎo)體潛在的發(fā)展前景，納米二氧化錫及其過渡金屬摻雜已激起人們的研究興趣。另一方面，由于納米二氧化錫薄膜獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性，其透明電極方面的應(yīng)用也備受關(guān)注。但是，滿足器件使用的SnO2材料還面臨一些需要解決的問題，例如，在氣敏傳感器應(yīng)用方面：純SnO2靈敏度和穩(wěn)定性較差，需要貴金屬或金屬離子的修飾，薄膜質(zhì)量以及比表面積的提高；在氧化

2、物稀磁半導(dǎo)體方面：居里溫度的提升以及鐵磁性的來源機(jī)制；透明電極方面：電學(xué)性質(zhì)或光學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步的提高等。本文以二氧化錫(SnO2)基材料為研究對(duì)象，針對(duì)以上問題研究了SnO2及其摻雜納米材料的制備和性質(zhì)。主要研究結(jié)果如下：
　　 (1)采用溶膠－凝膠(Sol-Gel)法，在Si襯底上制備了高質(zhì)量的SnO2薄膜。深入研究了薄膜的結(jié)構(gòu)、成份、表面形貌、光學(xué)特性以及快速熱退火溫度對(duì)SnO2薄膜的影響。發(fā)現(xiàn)600℃快速熱退火后的SnO2薄

3、膜顯示出最優(yōu)的性質(zhì)，此時(shí)薄膜已完全結(jié)晶，且晶粒尺寸較小，比表面積大，有利于提高氣敏傳感器的靈敏度。分析和研究了光致發(fā)光譜可見光波段的紅移現(xiàn)象，該現(xiàn)象的機(jī)理在于納米顆粒的量子限域效應(yīng)，并與氧空位或錫空位等缺陷有關(guān)。當(dāng)快速熱退火溫度升高至800℃時(shí)位于3450 cm-1處的OH基的伸縮振動(dòng)吸收帶仍然存在，表明了小尺寸的SnO2納米薄膜具有大量的活性表面，易吸附氧而形成OH，有利于提高氧化錫半導(dǎo)體材料的催化和氣敏傳感。改進(jìn)了工藝，在最優(yōu)的退火

4、溫度下，通過加入不同的添加劑，成功合成了多孔SnO2薄膜，并解決了Sol-Gel法制備的薄膜開裂嚴(yán)重的問題。
　　 (2) Sol-Gel法制備了Fe摻雜SnO2材料，發(fā)現(xiàn)Fe的摩爾濃度和退火溫度對(duì)Sn1-xFexO2-δ的微結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)有很大影響。XRD結(jié)果表明x≤0.1的樣品具有金紅石結(jié)構(gòu)，隨著Fe含量的增加，衍射峰寬化，意味著當(dāng)鐵離子替代了錫離子后導(dǎo)致晶粒尺寸的縮小。當(dāng)x＞0.1時(shí)，樣品晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，趨向于剛玉型結(jié)構(gòu)

5、的Fe2O3。當(dāng)退火溫度提高到500℃時(shí)，Sn0.9Fe0.1O2-δ的飽和磁化強(qiáng)度比未經(jīng)退火時(shí)減少近71.82％，當(dāng)經(jīng)過700℃退火后，飽和磁化強(qiáng)度又比經(jīng)500℃退火減少了約56.78％。理論上鐵原子團(tuán)的大小及數(shù)量會(huì)隨著摻雜量增加而變大，并增強(qiáng)鐵磁性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)制備的Sn1-xFexO2-δ材料的鐵磁性滿足Curie-Weiss定律，Tc高達(dá)719K，發(fā)現(xiàn)了與理論相反的趨勢(shì)，表明鐵磁性來源不是由鐵原子團(tuán)貢獻(xiàn)，間接排除了鐵原子團(tuán)貢獻(xiàn)室溫鐵磁

6、性，為解決提升氧化物稀磁性半導(dǎo)體材料的居里溫度和磁性的來源機(jī)制等基礎(chǔ)科學(xué)問題提供了重要參考。
　　 (3)系統(tǒng)研究了脈沖激光沉積(PLD)方法制備氧化銦錫薄膜(ITO)過程中襯底溫度、氧壓及氬壓對(duì)于ITO薄膜結(jié)構(gòu)、載流子濃度及遷移率的影響。利用PLD技術(shù)在石英玻璃和Si襯底上制備了立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)的ITO薄膜，X射線衍射(XRD)、透射光譜和霍爾效應(yīng)分析結(jié)果顯示薄膜具有良好的結(jié)晶、透過率和導(dǎo)電性質(zhì)。薄膜在氧壓下沉積的最佳氣壓為1.

7、4 Pa，襯底溫度為500℃，此時(shí)薄膜平均透過率為84.5％，電阻率為2.25×10-4Ωcm。氬壓下沉積薄膜的最佳襯底溫度為500℃，在此條件下當(dāng)氬壓為2.8×10-2 Pa時(shí)，電阻率低至1.88×10-4Ωcm，極低的電阻率來源于極高的自由載流子濃度14.85×1020 Cm-3和霍爾遷移率22.59cm2/Vs。首次研究了ITO薄膜的低溫電學(xué)特性(300-11K)，有助于開發(fā)其在極度嚴(yán)寒條件下的應(yīng)用。
　　 (4)采用脈沖

8、激光沉積(PLD)法，在Si襯底上制備了Fe摻雜多晶SnO2納米薄膜，系統(tǒng)地研究了襯底溫度和氧壓對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)、形貌、價(jià)態(tài)及磁性的影響。發(fā)現(xiàn)15 Pa是一個(gè)合適的氧壓，500℃是較佳的沉積溫度，此時(shí)薄膜完全晶化，并具有小的晶粒尺寸。發(fā)現(xiàn)在氧壓10 Pa，2 Hz條件下生長(zhǎng)的Fe: SnO2薄膜以柱狀生長(zhǎng)為主，高倍透射電子顯微鏡（HRTEM）結(jié)果表明在(110)方向的晶面間距為3.35(?)，和根據(jù)XRD結(jié)果計(jì)算得到的晶面間距一致。在氧壓為

9、10 Pa和22 Pa條件下，純SnO2薄膜的飽和磁化強(qiáng)度每單位表面積約為0.50×10－4emu/cm2和0.38×10－4emu/cm2，而Fe: SnO2薄膜的飽和磁化強(qiáng)度每單位表面積約為0.25×10-4emu/cm2和0.20×10－4emu/cm2，說明鐵磁性可能和氧空位相關(guān)，但是選區(qū)電子衍射圖(SAED)顯示Fe：SnO2薄膜中除了SnO2的衍射環(huán)外，還存在Fe2O3的衍射點(diǎn)，表面化學(xué)元素價(jià)態(tài)分析表明薄膜中存在Fe+3元素