稀土摻雜發(fā)光材料的制備和光學性質研究.pdf

1、半導體納米晶(量子點)具有表面效應和量子尺寸效應等基本物理性質,使得這些材料在光電信息領域、生命科學領域、醫(yī)學領域和基礎物理研究領域占有舉足輕重的地位。而稀土離子是許多激光材料、稀磁半導體材料、非線性光學材料以及納米發(fā)光材料中的激活離子,它們作為雜質摻入晶體后對晶體材料的微觀結構、電性質、光磁性質等有著極其重要的影響,因而近年來稀土離子摻雜半導體納米晶的制備和光物理性質的研究受到學術界的廣泛關注。直接寬帶隙半導體ZnO是藍紫光及紫外等未

2、來信息高科技領域的重要基礎材料,由于ZnO可產生UV,藍,綠光發(fā)射,而缺乏強烈的紅光發(fā)射,在氧化鋅基質中摻雜稀土Eu3+,可得到白光發(fā)射,有助于實現(xiàn)其在全彩色平板顯示器、場發(fā)射顯示器或照明中的應用。另一類半導體鈣鈦礦氧化物也是性能優(yōu)異的基質材料,其帶隙和結構可以通過改變樣品的成分比例而調節(jié),在其中摻入適當的稀土離子有望獲得稀土的特征發(fā)射,應用于平板顯示和光電集成設備。本文制備了摻稀土銪離子的氧化鋅和摻稀土銪離子的鈦酸鉛鍶鈉米晶并研究了其

3、結構和發(fā)光性能,獲得室溫可見區(qū)較強的光致發(fā)光,探討了發(fā)光過程中稀土與基質之間的能量傳遞機制。主要工作如下:
　　 ⑴采用溶膠-凝膠法制備了ZnO納米晶,X射線衍射(XRD)結果表明樣品具有六角纖鋅礦多晶結構且有很好的結晶質量,掃描電子顯微鏡(SEM)照片可以明顯看到ZnO顆粒為納米六角晶柱狀。詳盡的研究了樣品的紫外發(fā)射穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)光譜隨激發(fā)功率的依賴關系,觀察到自由激子的發(fā)光,激子-激子碰撞和電子-空穴等離子體引起的受激發(fā)射,首次

4、報道了自由激子以及激子-激子碰撞隨泵浦功率依賴的動力學過程。這對理解激子帶邊發(fā)射有一定幫助,對ZnO材料在短波長半導體光電器件方面有潛在的應用價值。
　　 ⑵采用溶膠-凝膠法制備了純的和摻雜稀土銪離子的ZnO納米晶。用320nnl的飛秒脈沖激發(fā)850℃下退火的摻3mol％的氧化鋅樣品,觀察到了很強的紫外激射,比沒摻雜稀土的氧化鋅樣品紫外激射強度高,閾值低。用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)觀察了它們的形貌和結構。認

5、為增強的激射是減少的氧空位的結果。和高溫退火的樣品不同,在650℃下退火的摻3mol％的氧化鋅樣品中觀察到從ZnO基質到Eu3+的有效能量傳遞,紫外激發(fā)下樣品發(fā)射白光。研究表明表面缺陷態(tài)有助于從氧化鋅基質到Eu3+的能量傳遞。這些結果表明摻雜銪離子的氧化鋅納米晶是有潛力的激光光源和白光光源。
　　 ⑶采用溶膠一凝膠法制備了具有不同鍶鉛配比的摻雜稀土Eu3+離子的鈦酸鍶鉛納米晶(PbxSr1-xTiO3,x=0.4,0.5,0.6

6、)。樣品在900℃的溫度下進行了退火。用X射線衍射(XRD)研究了樣品的晶體結構。XRD結果發(fā)現(xiàn)隨著鉛摻雜比例的增大,衍射峰逐漸分裂為兩個峰,且分裂峰之間的間隔越來越大,對樣品的(001/100)峰進行了雙峰擬合,由擬合結果計算了樣品的晶格常數,計算結果表明樣品中晶格常數c和a之比隨鉛摻雜比例的增大而增大,晶胞體積變大。表明材料從立方結構逐漸向四方結構轉變。室溫下用紫外光激發(fā),樣品有較強的來自稀土銪離子的特征紅光,表明存在從基質到稀土離