ZnO、ZnS半导体纳米材料的制备及发光特性研究

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目前,有关ZnO、ZnS低维纳米材料的研究己经成为国际上半导体材料研究领域的热点之一。二者具有直接宽带隙,因其在紫外发光器件方面有着潜在应用而备受关注,在光电子、微电子和生物医学技术方面都有巨大的应用前景,如发光二极管、纳米激光器、光/气敏传感器及光催化等。虽然在短短的几年时间内,ZnO、ZnS低维纳米材料的研究已经取得了长足的进步,但仍应注意到,其纳米材料的可控合成依然是个有待解决的问题。实现对ZnO、ZnS低维纳米材料的生长、形貌、结构的人工控制,是其应用的前提和基础。围绕ZnO、ZnS低维纳米材料的可控合成及其物性研究,本论文在调研总结国内外各种相关研究文献的基础上,采用气相输运的方法,制备了准排列的纳米ZnO阵列和一些特殊形貌的纳米ZnO,并对ZnS进行了制备探索。研究分析了其制备工艺、生长机理及其相关特性,获得了一些研究结果,其结果如下:  1、ZnO纳米阵列的制备与物性研究。  采用低温蒸发Zn粉和石墨粉(摩尔比1:1)与气相输运法,在非晶的载玻片衬底上,没有引入任何催化剂制备了准排列的c轴取向ZnO纳米棒阵列。讨论了衬底距源不同位置对纳米棒排列、密度、直径等要素的影响,丰富了ZnO纳米棒阵列的无催化生长。采用这种比较普适的方法,用不太苛刻的条件能制备出较好的阵列结构,对基于ZnO低维结构的器件研究应用具有重要意义。采用高温热碳还原,在硅片上制备了有序性较好沿c轴取向生长的ZnO纳米钉阵列,通过不同生长时间对硅片上产物形貌的影响,讨论了纳米钉阵列的形成过程。  纳米棒阵列退火前后及纳米钉的PL光谱都存在近紫外峰(380nm)和绿色宽谱峰,退火2h的纳米棒紫外发光峰更加明显、尖锐,且发生了细小的蓝移,而绿色宽谱带峰也发生了变化。样品的尺寸对光谱强度有一定影响,但对谱峰位置影响不大。  2、低温制备ZnO复杂纳米结构及其发光。  在较低的温度下,直接蒸发金属Zn粉,以VS生长机制制备了长度达几十个微米,宽度5-6μm,具有钉状结构和立方形貌两种梳齿结构的ZnO梳状结构,不仅丰富了ZnO低维结构的形貌,而且为其在纳米光电器件方面的应用提供了实验基础。此外,通过改进了常规气相法的工艺参数,控制了生长时间,还制备了在纳米棒顶端继续生长纳米钉形成的纳米棒-纳米钉和类球状纳米钉聚集体,对其形成过程给与了解释。并对其光致发光进行了测试。  3、气相输运法制备多种形貌ZnS纳米结构及其发光特性  对ZnS低维结构也作了初步的探索研究。通过改变衬底放置方式、沉积温度等要素,得到了不同形貌的产物,讨论了衬底温度、生长空间位置对其形貌的影响。
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