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ZnO纳米阵列的制备和稀土掺杂工艺及其发光性能的研究

赵世华  
【摘要】:本论文以制备高有序的多孔氧化铝模板为前提,用电场辅助沉积的方法制备出了纳米针尖阵列、纳米管阵列和纳米线阵列。利用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、能谱仪、热重分析等检测手段对制备的样品进行了相应的分析和表征。用近场光学扫描显微镜和荧光分光光度计研究了样品的发光性能,并分析了发光机理。本论文的研究步骤、内容及得到的结论如下: 1.通过二次阳极氧化法制备了高有序的氧化铝模板。孔的生成密度较大,排布非常均匀。其孔径尺寸大概在60-80 nm之间,并且孔径形状绝大部分呈六边形排列,整体形状趋于一致,个别孔状呈圆形或椭圆形。通过二次阳极氧化的方法,在草酸溶液中还合成了半壁氧化铝纳米管阵列。半壁氧化铝纳米管阵列在302 nm处的发射峰是由1B→1A的电子跃迁引起的,属于F+型发光。经过高温退火和酒精中超声,还制备出了氧化铝微米树。该微米树,有明显的树干和树枝组成。树干的平均宽度在1μm左右,平均长度在20-30μm,树枝的平均宽度在1-2μm,平均长度在3-5μm。并且微米树树干的形成不是沿单一生长方向的,而是沿着不同方向同时生长的,呈明显的X交叉型生长模式。 2.在室温下使用电场辅助沉积的方法,在高有序的氧化铝模板一侧的阴极槽中得到了Zn(NO_3)_2和中性H_2C_2O_4溶液的沉淀物,即制备出了ZnC_2O_4纳米针尖阵列,随后经800 oC退火热处理转变为ZnO纳米针尖阵列。其生长过程主要是以氧化铝模板的高有序孔道为生长空间,由ZnC_2O_4沉淀堆积而成并沉积在阴极槽中。通过扫描电镜观察,该针尖的尺寸在80 nm左右,正好符合氧化铝纳米孔的尺寸,也进一步证实了本论文中对ZnO纳米针尖阵列形成机理的探讨。通过X射线衍射分析和ZnO针尖顶部的高分辨图,可以知道该ZnO在[101]方向上有择优生长的趋势,且该ZnO结构是多晶的。由发光性能的检测结果表明,该ZnO纳米针尖阵列具有良好的光学性能。随着退火温度的升高和退火时间的增加,510 nm处的绿光发射带减弱,而379 nm附近的带边发射增强。该ZnO纳米针尖阵列有望在场发射中投入使用,具有很重要的研究价值。 3.通过电场辅助沉积的方法,用多孔阳极氧化铝模板合成了ZnO:Tb~(3+)纳米管阵列。通过X射线衍射图可以知道沉积在氧化铝模板孔道中的沉淀物是ZnC_2O_4、Zn(OH)_2和Tb(OH)_3的混合产物。结合红外吸收光谱更加断定了ZnO:Tb~(3+)纳米管阵列是由草酸盐沉淀和氢氧化物沉淀热分解而来的。通过扫描电镜观察,所制备出的ZnO:Tb3+纳米管直径和管壁厚度分别在80 nm和15 nm左右。通过对发射光谱图的分析,可以判断344 nm处新的紫外发射带是由于氧化铝模板本身而产生的。也就是说,当用235 nm的光激发ZnO:Tb~(3+)纳米管阵列样品时,氧化铝纳米管同时也被激发了,从而发射出344 nm的紫外光。 4.通过电场辅助沉积的方法,用阳极氧化铝模板合成了ZnO:Eu~(3+)纳米线阵列。通过X射线衍射图和高分辨透射电镜图可以认为Eu~(3+)离子已经掺入了ZnO的晶格中去了。通过扫描电镜观察,所制备出的ZnO:Eu~(3+)纳米线直径尺寸大概在80 nm。高分辨透射电镜图和傅里叶变换可以说明所制备出的ZnO:Eu~(3+)纳米线是单晶结构,并且沿着[0001]方向择优生长。通过对发射光谱图的分析,认为ZnO基质与掺杂的Eu~(3+)离子之间可能存在着能量传递。而306 nm处新的紫外发射峰是由于氧化铝模板本身而产生的。也就是说,当用395 nm的光激发ZnO:Eu~(3+)纳米线阵列样品时,氧化铝纳米管同时也被激发了,从而发射出306 nm的紫外光。


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