氧化锌半导体发光材料的封装及其光性能的研究

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电致发光二极管具有高效节能的优点,能有效的替代传统的白炽灯和荧光灯,已成为第三代照明光源。氧化锌(ZnO)作为一种重要的宽禁带半导体材料,具有较高的激子束缚能,优异的电学和光学特性,较高的热稳定性和低廉的价格等优点,在短波长光电器件应用中非常具有前景。然而ZnO基电致发光器件的研究尚属起步阶段,该领域尚有一些关键问题需要解决,譬如封装技术。电致发光器件容易受到环境中水汽、氧气和杂质的影响,从而降低发光效率。为了延长电致发光器件的工作寿命,还需要对器件进行封装。①传统的封装方法是用硬质盖板罩在发光材料基板上,然后用环氧树脂密封基板和盖板缝隙处。虽然环氧树脂具有具有价格低廉和粘接强度高的优点,但是环氧树脂易开裂并变脆,不能有效的改善电致发光器件的工作寿命。固化时间较长也是环氧树脂类封装材料的缺点;②采用单层阻隔技术很难有效维持发光装置的工作长久性。在弯曲应力下,阻隔材料会出现针孔,容易让水汽和氧气渗透;③采用多层阻隔技术,由于热循环可能会造成每层材料的热膨胀系数的不匹配,降低发光器件的工作性能。  本论文针对目前ZnO发光器件封装存在的问题,提出了利用模板封装ZnO发光材料,并初步探讨了模板封装ZnO发光材料的可行性,期望能够提高发光器件的发光效率,有效改善器件工作寿命,为实现ZnO纳米材料在光电子领域中的应用提供了重要依据。本文开展了一维ZnO材料合成技术、表征、形成机理、动力学和封装等方面的研究工作,具体研究内容如下:  (1)利用醋酸锌(Zn(CH3COO)2)和六亚甲基四胺(HMTA)水溶液低温生长一维ZnO棒状结构,鉴于HMTA在热液法中生长ZnO晶体中的重要性,重点研究了热液法生长ZnO晶体过程中HMTA浓度对ZnO转换速率及发光性能的影响。研究结果表明:采用Zn(CH3COO)2/HMTA作为反应物,利用热液法低温制备一维ZnO材料,溶液中HMTA具有pH缓冲作用,为ZnO生长提供一个温和的弱酸性环境,有利于溶液体系各锌物料配位物的稳定。溶液中HMTA的浓度影响锌物料之间转换速率。  (2)通过改变反应剂HMTA浓度和生长温度,考察反应条件对水溶液中生长ZnO动力学的影响。研究结果表明:HMTA浓度和生长温度影响着水溶液中ZnO棒的生长速率。随着HMTA浓度的增大或者生长温度的升高,ZnO棒生长速率相应增大。反应初期,ZnO生长特性偏离Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)扩散-限制模型;生长后期,ZnO生长特性遵循LSW扩散-限制模型。  (3)通过硬模板辅助扩散法采用多孔阳极氧化铝(AAO)封装ZnO纳米线阵列。研究结果表明:利用扩散法在AAO模板孔道中制备ZnO纳米线,可以看到AAO模板孔道均被ZnO纳米线填充。而利用沉浸法在AAO孔道生长ZnO纳米线的填充效果不是很理想,有些孔道并没有完全填充ZnO纳米线,出现断断续续现象。  (4)通过软模板法采用聚丙烯酰胺(PAM)聚合物封装ZnO纳米棒阵列。研究结果表明:在ZnO成核和生长过程中,PAM作为结构导向剂可以作用于ZnO晶体侧面上,形成有序的保护膜,限制径向生长,促进ZnO晶体沿着c轴各向异性生长,在不影响ZnO棒状形貌的条件下,PAM能够较好的封装ZnO纳米材料。  (5)研究了不同退火处理方法对ZnO纳米材料晶体质量和光学性能的影响。研究结果表明:本文所采用的退火处理方法可以有效改善ZnO晶体质量和光学性质,空气中高温退火方法相对较好。
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