植入复合纳米结构的光电性能研究

【摘要】： 离子注入是制备纳米晶的一种行之有效的方法。植入金属纳米晶具有表面等离子共振吸收和非线性光学特性；具有一定取向的单畴铁磁纳米晶具有较大的矫顽力和高存储密度；氧化物纳米晶具有良好的发光性能。然而，注入基体、束流密度、离子注量对纳米晶形成条件、微观结构和宏观性能的影响以及注入离子与基体的相互作用规律还不清楚。本论文从同种离子注入不同的基体材料以及不同的离子注入同一种基体材料这两个角度出发，首次在Al_2O_3等单晶基体中制备了金属Ni、Zn、Sn和NiO、ZnO、SnO_2纳米晶，并研究了纳米晶的微观结构和光学、磁学特性。具体研究结果如下： 1．系统研究了Ni离子注入Al_2O_3、MgO、YSZ和TiO_2四种单晶以及退火后样品的微观结构和宏观性能。研究结果表明，(1)除YSZ外，其余三种单晶中都观察到了金属Ni纳米晶，并且注入区域已经完全非晶化。非晶化的基体有利于金属纳米晶的析出。(2)金属Ni纳米晶的表面等离子共振吸收带波长随基体折射率和纳米晶尺寸的增大而增大。(3)金属Ni纳米晶表现出铁磁性，矫顽力都比块材的大。(4)除MgO外，退火后样品中主要纳米晶产物为NiO，退火后的Al_2O_3单晶中观察到NiO的吸收峰。(5)注入离子的束流密度对金属Ni纳米晶的形成有很大影响，在Al_2O_3单晶中，当束流密度为5μA/cm~2时，有金属Ni纳米晶生成；当束流密度为10μA/cm~2时形成的新相是尖晶石结构的NiAl_2O_4。 2．研究了Zn离子注入Al_2O_3、MgO、YSZ和CaF_2四种单晶以及退火后样品的光吸收性能，选择Al_2O_3单晶做微观结构和发光性能研究。研究结果表明，(1)除YSZ外，其余三种单晶中都观察到了金属Zn纳米晶的表面等离子共振吸收带。(2)600℃退火的Al_2O_3样品中金属Zn纳米晶的表面等离子共振吸收消失，ZnO的激子吸收峰出现，随退火温度继续升高，由于尖晶石结构的ZnAl_2O_4形成，ZnO激子吸收峰变弱。(3)Al_2O_3单晶中ZnO纳米晶有两个发光峰：一个紫外发光峰(370nm)和一个绿色发光峰(500 nm)。紫外发光峰是由室温下ZnO的自由激子复合产生的，绿色发光是由深能级缺陷产生。与以前的研究结果相比，本论文中制备的ZnO纳米晶尺寸较小，因此具有较强的绿色发光峰。(4)金属Zn纳米晶的尺寸和注量成正比关系，由于量子限域效应，纳米晶尺寸越大，表面等离子共振吸收峰波长越大。(5)Zn离子注入区域基体发生非晶化转变，退火后，样品从结晶．非晶界面开始再结晶，再结晶区域仍为单晶，但是取向和原基体取向不同。 3．研究了Sn离子注入Al_2O_3、MgO和YSZ三种单晶及其退火后样品的光学性能，选择Al_2O_3单晶做微观结构研究。研究结果表明，(1)三种单晶中都没有观察到金属Sn纳米晶的表面等离子共振吸收带，这是因为金属Sn的复介电常数无法获得吸收极大值。(2)三种单晶退火后都观察到了SnO_2纳米晶的吸收，峰值位于约280 nm。(3)三种单晶中SnO_2纳米晶都有三个明显的发光峰，分别位于410nm、520 nm和700 nm。410 nm和520 nm的发光峰和以前的研究结果类似，是由于SnO_2半导体纳米晶的深能级缺陷发光，700 nm的发光峰未见报道，这可能是由于被基体包埋的SnO_2的表面态或基体和纳米晶之间的界面态产生的。