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过渡金属离子掺杂CdS纳米结构的合成、表征及光学与磁学研究

卡姆龙(Muhammad Arshad Kamran)  
【摘要】:CdS是一类非常重要的II-VI半导体材料,由于其独特的性质可在太阳能电池、发光二极管、纳米激光、场效应晶体管、光电探测器、气体传感器、光开关等方面有重要应用。近期还发现硫化镉在稀磁半导体中也有非常显著的价值,尽管研究工作还不多。本文中,我用简单的CVD方法制备出来CdS和过渡金属离子(Mn(II),Ni(II),Co(II))掺杂的CdS纳米线/纳米带,详细研究了它们的制备条件、形貌、生长机理、光学和磁性,主要研究结果如下: 1: Mn离子浓度可控掺杂CdS纳米带可用CVD方法合成出来,掺杂的纳米带意外地显示出可调谐的发光,随着Mn离子聚集而红移,同时表现铁磁性。掺杂离子聚集的发生强烈依赖于制备纳米带时掺杂浓度、温度和反应时间。聚集导致的铁磁性和移动的光谱带可以用激子磁极化子(EMP)和局域激子磁极化子(LEMP)的形成来描述,得到理论模拟结果的证实。论文对发光和磁响应的关系进行了详细讨论,这些发光稀磁性半导体可用来制备自旋相关的纳米光子器件。 2:高质量的Ni(II)掺杂的CdS纳米带显示出奇特的近红外发射和铁磁性。近红外发射与Ni的两个高能级相关d电子态与S间强烈的p-d杂化有关,这个跃迁是中间的d-d跃迁,不是最低态跃迁,这在稀磁半导体中非常罕见。用EDX光谱和拉曼光谱证明了掺杂离子的存在;掺杂半导体电子能带的第一性原理模拟和PL寿命也反映了P-d间杂化效应;这个材料可用来作纳米级光源,可用掺杂来调控硫化镉发光,重掺杂的情况也可能改善硫化镉太阳能电池响应。 3:随后,为了证实EMP和铁磁性响应之间的关联,我继续采用相同的方法制备研究了Co离子掺杂CdS纳米线,并用EDX、XPS、拉曼光谱与相关发光光子能量的移动来证实掺杂的成功。室温发光光谱显示出单根掺杂的纳米带有个513.6nm绿光和606.5nm的橘红色光,前者代表硫化镉的带边EMP态跃迁,后者橘红色光可归于Co离子d-d转移4T1(P)→4A2(F),与Ni离子类似,它也是一种中间态d-d跃迁;增加掺杂浓度,它们均会红移;蓝色发光随掺杂的红移代表了激子磁极化子(EMP)的形成,橘红色发光的移动归因于Co离子的d电子局域和铁磁性耦合,即LEMP间的铁磁耦合;它们的PL有相同的温度依赖性,铁磁性响应一直到373K。这个室温稀磁半导体中Co离子的成功掺杂和EMP的形成第一次被发现,可用于自旋相关器件。 4:在适当微区条件下,用CVD的方法制备合成了Cd金属的半球形和海胆型的CdS微结构:1)大批量的新颖Cd金属半球形微米结构,其EDX光谱和XPS光谱分析证明了高质量的金属,生长过程表明存在微结构;室温PL光谱显示其发光峰在591nm,这是首次发现Cd金属微米结构存在强烈发光现象,这种现象可归于费米能级附近的s p导带电子和d能级的空穴的非辐射复合,由于局域微结构的形成而导致的等离子带,其波长可通过调节尺寸来微调;其表面增强拉曼光谱证明了Cd半球形有强烈SERS效果,与银类似;结果显示出Cd球可能是一个可能在LED和其他光电子器件可用的便宜增强剂,比如说等离子增强太阳能电池。2)含有CdS NB海胆立体微结构用CVD方法可制备出来,微结构由高质量纤锌矿结晶纳米带构成;文中提出了形成海胆微结构的假设机理;室温PL光谱显示强烈的PL峰,位于517nm,这是CdS带边的声子辅助发射;海胆型微结构存在出色的低临阈强度的激光性能,这些结果显示出其在未来绿色发光和显示器件方面的应用。


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