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《哈尔滨工业大学》 2007年
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准一维ZnO纳米材料的合成和发光性质研究

高红  
【摘要】: 准一维纳米材料是目前纳米材料研究中最活跃的领域之一。氧化锌作为重要的紫外发光材料,其准一维纳米结构引起了学术界的广泛关注。本文采用化学气相沉积的方法,通过在ZnO源中选择性地加入金属元素,制备了几种结构新颖的准一维ZnO纳米材料,其中,带修饰的纳米螺旋、纳米树叶和In掺杂纳米螺线是第一次合成。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线能谱对样品的形貌和组成进行了表征,讨论了它们的生长机制,总结了生长条件。对一些样品的光致发光光谱进行了分析,得到了一些有趣的结果。 以ZnO和Sb为源,合成了螺距均匀的单晶ZnO纳米螺旋。X射线衍射谱表明样品为六角纤锌矿结构的ZnO晶体。扫描电子显微镜图片显示了样品的螺旋形状,纳米螺旋非常均匀,长度可达上百微米。纳米螺旋的一个周期由六个等长的纳米棒组件构成。利用简化模型进行的计算表明,纳米螺旋是能量较低的稳定结构。这种ZnO纳米螺旋可以用作微光电、微机电系统的组件。依据大量实验,总结出适合ZnO纳米螺旋生长的实验参数及其取值范围。 在ZnO纳米螺旋的基础上,合成了新颖的带修饰的ZnO纳米螺旋。此ZnO纳米螺旋是由规则地带有修饰的纳米棒构成。螺旋的一个周期内,对称地附有12个修饰物。修饰物是SiOx包覆的ZnO团簇。Si源由Si片在高温处的蒸发提供。样品的变温光致发光光谱结果表明,室温紫外发光可能来自于导带自由电子向受主能级的跃迁,低温光致发光光谱中的中性受主激子发光可能是Sb的掺杂造成的。 根据同质外延生长机制合成了ZnO纳米梳和纳米树叶。将ZnO和Sb分开放置,经热蒸发生长出了ZnO纳米梳。我们合成的纳米梳长度可达上百微米,具有整齐的梳齿,是人们感兴趣的一种纳米悬臂梁结构。将ZnO和Te混合,生长出新颖的ZnO纳米树叶,在每个ZnO纳米线的顶部外延生长了多边形纳米盘,形貌一致。高分辨透射电子显微镜分析指出,纳米线和盘的接合处无位错和堆垛层错等晶格畸变存在,是外延生长的。测量了纳米树叶的室温光致发光光谱,得到强的紫外发射和很弱的可见发光。可见发光可能源于表面缺陷态。对变温光致发光光谱数据的分析表明,室温的紫外发射可能来自于自由激子复合发光。根据多次实验总结出合成树叶状ZnO纳米结构的实验参数。极性纳米盘可在传感器、微碟激光器方面得到应用。 利用ZnO和In单质为源,采取化学气相沉积的方法成功地一步合成了In掺杂的ZnO超宽纳米带、ZnO纳米螺线和纳米超晶格结构。In掺杂的ZnO纳米带宽达900 nm。高分辨透射电子显微镜分析指出,纳米带结构均匀、无缺陷。In被有效地掺入ZnO晶体,部分地取代了Zn的位置。In掺杂的ZnO纳米螺线结构是由薄的纳米带卷曲而成,典型的曲率半径为几微米。纳米螺线的生长机制可以用静电能极化电荷模型解释。光致发光的结果表明,由于In的掺杂,ZnO晶体的紫外发射相对减弱,可见发光增强并红移。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TB383.1

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【引证文献】
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【参考文献】
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