Mn掺杂ZnO纳米结构(空心)微球的合成及性质研究

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本论文采用一种简单的水热合成方法,成功制备出一系列不同形貌的氧化锌(ZnO)微纳材料,并在此实验基础上合成了Mn掺杂ZnO多层次(空心)微球。对所制备样品的形貌,微观结构,晶体结构和化学价态等用扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),X-射线粉末衍射(XRD),X-射线光电子能谱(XPS)等仪器对其表征。同时运用了荧光光谱仪(PL)和超导量子干涉仪(SQUID)对其荧光和磁学性质进行分析研究,获得以下实验结果:1.通过简单的水热合成方法,以醋酸锌为前驱体,水和乙二醇为溶剂,成功制备出形貌可控的ZnO微纳材料。通过实验,发现水跟乙二醇的不同体积比例混合对ZnO的形貌控制起到了很重要的作用。通过精确控制它们的不同体积比例,制备出不同形貌的ZnO微纳材料,包括分层的棒状结构(溶剂体积比为V水:V乙二醇=2),棒状结构(V水:V乙二醇=0.5),空心微球结构(V水:V乙二醇=0.2)和实心微球结构(V水:V乙二醇=0)。根据实验结果,初步探讨了其生长机理。2.通过简单的水热合成方法制备出一系列不同Mn浓度(2%,5%和7%)掺杂的ZnO多层次微球。XRD结果表明所制得的样品具有六方纤锌矿结构,没有杂相。拉曼光谱仪测试显示,相对于纯的ZnO微球,掺杂样品拉曼谱出现一条位于500-600cm-1的宽峰,表明Mn2+离子替代式掺入到ZnO晶格中部分Zn2+离子位置。紫外可见光学吸收证明,较之ZnO紫外吸收峰(峰值波长约370nm),随着Mn2+离子掺杂浓度的提高,掺杂样品紫外吸收峰出现蓝移。相对应的PL谱表明高掺杂浓度的抑制了紫外发射峰(峰值波长约395nm)和缺陷发射峰(峰值波长约425nm和475nm)。SQUID表征显示不同Mn浓度掺杂ZnO多层次微球表现铁磁性行为,特别是,在7%Mn掺杂浓度的样品中居里温度高于400K。3.通过水泡为软模板方法,制备出浓度为2%的Mn掺杂ZnO空心微球。把制得的样品在氩气氛围中不同温度退火,并测其磁学性质。SQUID证明未退火的Mn掺杂ZnO空心微球展示了铁磁性,在673K退火的样品显示铁磁-顺磁性共存,而在1073K退火的样品却仅显示顺磁性。根据拉曼和荧光结果,发现随着退火温度升高,样品中氧空位的浓度增加。我们推测氧空位浓度的变化是其磁学现象变化的原因。这些结果有助于进一步对稀磁半导体的磁源理解。
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