Ga掺杂ZnO闪烁粉体制备及发光性能研究

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Ga掺杂ZnO闪烁材料由于其在室温条件下近紫外激子发射峰荧光衰减时间短和高的光输出性能,非常适合在X射线、γ射线及α粒子探测方面应用。本论文采用不同的实验方法制备了ZnO:Ga粉体,并且研究了粉体的发光性能,探讨了不同制备方法、不同形貌ZnO:Ga粉体对发光性能的影响。   论文采用沉淀法制备了不同形貌ZnO粉体,以碳酸氢铵为沉淀剂,二水合乙酸锌提供锌源,获得的ZnO粉体呈现六棱棒状结构。以尿素为沉淀剂,二水合乙酸锌提供锌源,用氨水调节溶液的pH值,聚乙二醇-2000为改性剂,制备的ZnO粉体形貌变为花状结构,这是由于ZnO前驱体溶液中Zn(OH)2与(Zn(NH3)4)2﹢的比例不同导致了组成花状结构的ZnO微棒结构从六棱棒状结构向纺锤状结构转变。花状结构ZnO粉体的光致发光谱图表明不同棒状结构组成的花状ZnO均在380nm处存在近带边发射峰。   本论文还讨论了不同Ga掺杂量对ZnO粉体形貌及发光性能的影响。以已制备好的ZnO形貌为基础,通过掺杂不同量Ga制备了ZnO:Ga粉体。实验结果表明:六棱棒状ZnO粉体中掺杂不同量Ga时,ZnO:Ga粉体形貌由六棱棒状结构、片状结构向颗粒状结构转变。室温光致发光谱表明:随着Ga掺杂量的增大ZnO:Ga粉体的发光性能减弱。当花状结构ZnO粉体中掺杂不同量Ga时,通过X射线衍射分析结果看出ZnO:Ga粉体均为六方纤锌矿结构,无Ga2O3,ZnGa2O4等含镓化合物的特征峰存在;扫描电镜图谱表明随着Ga掺杂量的增大,ZnO粉体形貌由六棱棒状组成的花状结构向纺锤状棒状组成的花状结构转变,当Ga掺杂量达到3at%时,ZnO粉体呈片状结构。透射电镜图谱表明Ga掺杂量的增大,会使得ZnO:Ga粉体由单晶结构向多晶结构转变:室温光致发光谱表明随着Ga掺杂量的增大,ZnO:Ga粉体近带边发射峰(~380nm)产生红移现象,并且当Ga掺杂量为1%时其发光性能最好。低温发光谱图表明在低温6.5K时ZnO:Ga粉体的紫外发射峰的相对强度为室温下发光强度的12倍,6.5k时发光峰的中心位置从371nm蓝移到369nm。最后对花状结构ZnO:Ga粉体进行退火处理,结果表明:在氢气气氛中Ga掺杂量为1%时发光性能较好,近紫外发光峰的相对发光相对强度是未经退火处理的ZnO:Ga粉体发光强度的2倍左右,在空气气氛中退火对发光性能并无明显的影响。   最后,论文主要探讨了不同制备方法对ZnO:Ga粉体发光性能的影响。采用溶胶-凝胶法制备的ZnO:Ga粉体形貌为厚度大约为0.3μm的片状结构,室温光致发光谱表明不同Ga掺杂量氧化锌粉体均存在近带边紫外发光性能,并且经过氢气退火之后其发光性能有很大的改善。将高温固相法制备的ZnO:Ga粉体采用不同的混料方式混合后,对其发光性能进行研究,研究发现:采用球磨方式混料时ZnO:Ga粉体发光性能较好。通过对比溶胶-凝胶法,沉淀法及高温固相法对ZnO:Ga粉体发光性能的影响发现,采用湿化学法制备的粉体紫外发光性能较好,高温固相法制备的粉体材料中由于晶界较多因而相对发光强度较低。
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