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掺Cd纳米ZnO的制备及其性能研究

张志军  
【摘要】: ZnO纳米材料由于具有优异的性能而备受人们的广泛关注。合成形貌、化学成份、晶体结构可控的ZnO纳米材料是实现其应用的关键。为了实现ZnO在光电设备领域的应用,必须攻克P-型掺杂和能带调整这两个难题。研究表明,通过Cd掺杂可实现其能带调整。 本文通过热蒸发法制备了Zn_(1-x)Cd_xO准一维纳米材料,并利用场发射扫描电子显微镜(FESEM,Hitachi S-4700),X射线衍射仪(XRD,Rigaku D/max-RB),X射线能谱分析(EDX),X射线光电子能谱(XPS Omicron EAC2000-125 Mg K_α(1253.6eV)),高分辨透射电子显微镜(HRTEM,CM200-FEG),荧光光谱仪(PL,Renishaw-1000)(以He-Cd激光器作为激光发射源,激光的波长为325 nm)等设备对样品的形貌、结构、组成以及光学性能进行了表征和研究,本文的主要研究内容包括:对原位合成的Zn_(1-x)Cd_xO纳米结构的形貌、组织结构、成分等进行研究;对Zn_(1-x)Cd_xO纳米结构的形成机理进行研究,并探讨了催化剂金(Au)、O_2的平衡分压、Cd的掺入等因素对Zn_(1-x)Cd_xO纳米材料结构的形貌的影响;对样品的室温光致发光光谱(PL)进行了研究,Cd掺杂对纳米ZnO的带隙的调整作用进行深入分析。 通过以上内容的研究,本文取得如下创新性结果: (1)通过热蒸发法成功制备了单晶荆棘状Zn_(1-x)Cd_xO一维纳米结构,样品由大量的荆棘状纳米结构和少量的具有光滑表面纳米棒组成。荆棘状纳米结构样品的直径比较均一,约为100 nm,而长度可达几微米。荆棘状Zn_(1-x)Cd_xO纳米结构的主干两侧长有小刺,小刺的直径约为10 nm,长度约为50~80 nm。小刺都垂直于中央主干生长,并且表面比较粗糙。 (2)荆棘状Zn_(1-x)Cd_xO一维纳米结构的Cd含量约为6.7 at.%,远大于Cd在块体ZnO中的热力学平衡固溶度(2 at.%),表明纳米结构可大大增强Cd元素在ZnO中的固溶度。 (3) Zn_(1-x)Cd_xO单晶纳米结构的室温PL谱表明,与纯ZnO(3.37 eV)相比,由于Cd的掺入,样品的近带边发射峰(NBE)红移了0.24 eV。同时发现,在PL谱的2.54 eV的位置上有较强的蓝绿发射。分析认为是由于荆棘状Zn_(1-x)Cd_xO纳米结构具有大的比表面积所致。 (4)研究发现,Au纳米颗粒作为催化剂对荆棘状Zn_(1-x)Cd_xO一维纳米结构的形成是必不可少的。分析认为,荆棘状Zn_(1-x)Cd_xO一维纳米结构的生长遵从气-液-固(VLS)生长机制。O_2分压是影响荆棘状Zn_(1-x)Cd_xO形成的关键因素。


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