Zn離子注入Al2O3單晶納米顆粒合成及其光學性質改性的研究.pdf

1、由于金屬納米顆粒具有獨特的性質,在光電子器件、生物傳感器等多個領域具有廣闊的應用前景。研究金屬納米顆粒的合成、性質及其應用成為目前納米材料領域關注的重點。高劑量金屬離子注入結合各種氛圍下的熱處理已成為固體材料尤其是氧化物絕緣體材料中合成金屬及相關氧化物納米顆粒的一種重要手段,固體材料中注入納米顆粒的形成及其注入缺陷的引入不可避免地將對材料本身的性能產(chǎn)生至關重要的影響,因此,研究注入納米顆粒合成的規(guī)律及對材料物性的改變不僅有助于深入認識離

2、子與固體相互作用的基本過程,而且也可為多功能新材料的制備提供實驗依據(jù)。本論文采用45 keV Zn離子注入Al2O3單晶到劑量1×1017／cm2,借助于紫外-可見光譜儀(UV-Vis)和X射線衍射儀(XRD)詳細地研究了Zn納米顆粒的合成及其在氧氣氛圍下退火過程中發(fā)生的演變；同時采用UV-Vis和光致發(fā)光譜儀(PL)研究了納米顆粒形成以及注入缺陷產(chǎn)生和演變對Al2O3單晶光學性能的影響。通過研究,得到了以下主要研究結果:(1)Zn離子

3、注入Al2O3單晶樣品,注入態(tài)中就在樣品的淺表面區(qū)域產(chǎn)生了Zn的納米顆粒,它導致了波長位于300 nm左右的一個強的等離子共振峰(SPR),隨后氧氣氣氛下的熱處理導致了Zn納米顆粒的生長和逐漸向ZnO納米顆粒演變,該過程依賴于熱處理的溫度。研究發(fā)現(xiàn),在400℃退火時,主要是Zn納米顆粒的生長,而當溫度增至500℃時,Zn納米顆粒開始氧化,形成Zn-ZnO芯殼結構的納米顆粒。700℃退火則會導致絕大部分Zn納米顆粒轉變成ZnO納米顆粒。(

4、2)UV-Vis測試結果顯示,高劑量Zn離子注入Al2O3單晶除形成Zn納米顆粒外,在樣品的注入?yún)^(qū)域中同時還引入了大量的缺陷,引起了可見光區(qū)域中強吸收帶產(chǎn)生,經(jīng)分析,這些缺陷主要是F2+、F、F22+、F2-色心等,隨后的熱處理導致這些色心發(fā)生了演變和轉化,使得可見光區(qū)域中光吸收性能逐漸恢復。(3)發(fā)光光譜研究結果表明,原始的Al2O3單晶中存在一定量的本征缺陷,它們導致了一個在近紫外區(qū)域的發(fā)光寬峰,Zn離子注入Al2O3樣品導致樣品晶

5、格遭到破壞,使得該本征發(fā)光峰強度明顯減弱,同時在可見光區(qū)域(峰位約為550 nm)產(chǎn)生了一個新的較強的發(fā)光峰。隨后的熱處理導致發(fā)光峰強度在400-600℃范圍內增強。另外就600℃退火情形而言,通過對發(fā)光峰的擬合,我們發(fā)現(xiàn)了ZnO發(fā)光的貢獻。借助于注入產(chǎn)生的缺陷及其可能演變對發(fā)光現(xiàn)象進行了初步的解釋。論文同時還采用盧瑟福背散射(RBS)分析技術對注入Zn原子的深度分布及其在熱退火過程的變化進行了研究,結果發(fā)現(xiàn)注入Zn原子雖然在退火過程發(fā)