氧空位對ZnO納米材料可見光區(qū)發(fā)光的影響.pdf

1、ZnO作為一種重要的多功能直接寬帶隙半導體材料，因具有較高的激子束縛能，加之ZnO對生物無毒害，對環(huán)境友好，使其成為半導體發(fā)光材料的研究熱點。ZnO納米材料的發(fā)光主要來自紫外區(qū)的近帶邊發(fā)射和可見光區(qū)的藍綠光發(fā)射，紫外光的發(fā)射是帶間躍遷引起的，而對藍綠光的發(fā)射過程一直沒有一致的認識。我們研究了氧分壓對ZnO納米材料的氧空位及藍綠光發(fā)射的影響，與此同時我們也分別研究了在H2、O2中退火后的ZnO納米材料氧空位濃度及藍綠發(fā)射的變化。本文采用簡

2、單化學氣相沉積法（CVD），以Au為催化劑，成功地在硅襯底制備出ZnO納米材料，開展了氧空位濃度與藍綠光發(fā)射關系的相關研究。主要研究結果如下：
　　（1）氧分壓對ZnO納米材料中氧空位濃度的影響
　　在不同的氧分壓下，成功的制備出了ZnO納米陣列。不同氧分壓下制備的ZnO在Raman光譜的圖譜中均在583cm-1出現了與氧空位有關的Raman特征峰。EDS檢測結果表明，ZnO納米材料的Zn:O原子比隨著氧分壓的提高而降低，推

3、斷出氧空位濃度隨氧分壓的提高而降低。
　?。?）分別在H2、O2氣氛中退火對ZnO納米材料的氧空位濃度的影響
　　將已制備的ZnO樣品放在H2氛圍中，溫度為500℃的條件下進行退火，然后對其進行表征。EDS檢測結果表明在H2氣氛中進行退火后ZnO樣品中含氧量降低，推斷在H2中退火可以提高樣品氧空位濃度。然后將在H2氣氛中退火處理后的ZnO樣品放入O2中，800℃退火120min，并對其進行表征。Raman光譜在583cm-1

4、出現與氧空位有關的Raman特征峰，說明在O2退火后樣品中依然存在氧空位。EDS檢測結果表明在O2氣氛中退火處理后樣品的含氧量提高，推斷在O2中退火可以減小樣品的氧空位濃度。
　　（3）氧分壓及在H2氣氛中退火處理對ZnO發(fā)光特性的影響
　　首先，對比研究了不同氧分壓對ZnO納米材料可見光發(fā)射的影響。樣品的熒光光譜測試結果表明：藍光的發(fā)射峰（470nm）隨著氧分壓的提高而減弱，推斷位于470nm處的藍光發(fā)射主要來自淺施主能級

5、中的電子向氧空位形成的受主能級(VO+)的躍遷。然后對比研究在H2氣氛中退火處理后的ZnO納米材料的藍光發(fā)射的變化。SEM圖片和XRD譜圖顯示，ZnO納米材料在H2中退火不會改變樣品的形貌和晶體結構。樣品的熒光光譜結果表明，在H2氣氛中退火處理后的樣品的藍光發(fā)光峰強度與原樣的藍光發(fā)光峰強度比，都有不同程度的提高，進一步證實了位于470nm處的藍光發(fā)射主要來自淺施主能級中的電子向氧空位形成的受主能級的躍遷。
　?。?）在O2氣氛中退

6、火處理對ZnO納米材料發(fā)光特性的影響
　　選兩組典型的氧空位濃度的ZnO樣品，分別在固定氧空位濃度下對比研究在O2中退火處理對藍光發(fā)射的影響。SEM圖片顯示，在O2中退火處理對樣品的形貌基本沒有影響。Raman表明：O2/Ar流量比為4:196制備的樣品在O2中退火前后均能探測到與氧空位有關的特征峰；而O2/Ar流量比為8:192制備的樣品在O2中退火后樣品探測不到與氧空位有關的特征峰。樣品的熒光光譜測試結果表明：O2/Ar為8:

7、192制備的材料氧空位濃度低，當樣品在氧氣中退火時有部分氧擴散進入晶格使得退火處理后的熒光光譜中與氧空位有關的藍綠光發(fā)射峰（470nm）消失。而O2/Ar為4:196制備樣品材料氧空位濃度比較高，即使當樣品在氧氣中退火時有部分氧擴散進入晶格中，退火后的樣品中依然存在一定量的氧空位。所以O2/Ar為4:196制備材料在O2中退火處理后的熒光光譜中依然會出現與氧空位有關的藍綠光發(fā)射峰（470nm）。同時在氧氣氛圍退火時，氧氣擴散進入晶格間隙