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氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带半导体材料,它具有较高的激子束缚能(60meV),在紫外及可见光范围内存在多个由于激子或本征缺陷引起的发光峰,同时,ZnO具有优异的光学和电学特性,优良的抗辐射能力,高的热稳定性和化学稳定性,低廉的价格而且环保无毒,这些突出的优点使ZnO成为一种极有前途的短波长光电功能材料。
光子晶体是当今微纳光电器件领域中的崭新概念,本文基于光子晶体限制了特定频率光波传播的原理,利用特制的多孔阳极氧化铝(anodic aluminum oxide,AAO)为模板,将ZnO合成在氧化铝的纳米孔洞中,以制成二维ZnO纳米光子晶体。将阳极氧化铝/氧化锌组装体看成二维光子晶体,并从理论上计算出该组装体的光子带隙结构,找到与ZnO的蓝绿光发光峰匹配的光子禁带,从而使ZnO的发光大大集中和增强。已有的关于ZnO发光器件的研究大多是基于p-n结技术来实现ZnO薄膜的电致发光,而对于无p-n结的ZnO的电致发光却鲜见报导。本论文基于高速电子与发光中心的强烈碰撞而导致发光的原理,构思了基于氧化铝/氧化锌光子晶体的无p-n结的ZnO电致发光器件,并对此新型ZnO电致发光器件的制备进行了初步探索。
AAO作为一种理想的模板材料,在纳米合成界有广泛的应用,然而AAO在高温退火时,模板会发生卷曲,这是一个世界性的技术难题,它大大限制了AAO模板的应用。本论文提出了加压退火的方法,有效地解决了AAO模板退火卷曲的问题。该方法通过调节退火炉中的气压,使之与模板内残余应力的作用互相平衡,此时,未成孔的“孔核”不再生长,次孔不会形成,模板亦不再卷曲。此项结果使得本研究中制备基于AAO/ZnO组装体的发光器件成为可能,并且对于扩大AAO模板的应用研究有重要的意义。
发展了利用直流电沉积法制备ZnO纳米线的方法,在氧气氛围中、压强为1.06×105Pa、800℃下氧化2h,将氧化铝中的锌氧化成ZnO。本研究利用氧气氛围进行锌的氧化,这大大提高了传统方法的ZnO纳米线的制备效率,并且在适当压强下得到了得到了平整的AAO/ZnO组装体。用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪对其形貌及成分进行表征和分析,结果表明,在氧化铝模板的有序孔洞中中合成了大尺寸,均一连续的多晶态ZnO纳米线。光致发光光谱表明,ZnO纳米线在504nm处有较强蓝绿光发射。
以上结果为进一步研究AAO/ZnO组装体发光性质和开发新型功能器件提供了基础。