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3d过渡金属掺杂ZnO纳米线的制备及磁、光性质研究

魏晴  
【摘要】:ZnO是一种典型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料,由于其形态性质多样,目前已经成为材料研究领域的一个热点。它拥有优良的电学、光学和化学稳定性,容易得到过渡金属掺杂ZnO基稀磁半导体材料,相对于Si、GaN等半导体材料来说它又具有大的禁带宽度(Eg=3.37eV)以及高的激子束缚能(60meV),因此有望成为下一代信息处理和储存、量子计算和量子通讯等领域的重要材料,在短波长激光器、自旋电子器件等方面具有广泛的应用前景。 本文采用水热法,以醋酸锌为反应原料,氢氧化钠为矿化剂,通过改变反应条件如锌盐浓度、矿化剂浓度、温度、时间等,制备出片状、棒状、线性、花状等不同纳米形态结构ZnO,研究不同结构纳米ZnO室温光致发光性质。研究结果表明:氢氧根浓度影响纳米ZnO的轴向生长,碱性增强,ZnO纳米棒长度增加;反应温度影响纳米ZnO的径向生长及成核速率,温度增加,ZnO纳米棒直径增加;反应时间影响ZnO径向生长速度,决定反应进行的程度。片状结构具有强的紫光发光峰,棒状结构绿光发光峰很强,这是由于不同缺陷类型所致的。 基于棒状纳米ZnO制备工艺,引入3d过渡金属元素Co、Mn、Ni,制备具有良好室温光致发光性能及铁磁性的稀磁半导体材料。研究结果表明:1%Co掺杂ZnO具有室温铁磁性,在421nm处具有强的紫光峰;1%Mn掺杂ZnO显示出室温抗磁性,2%Mn掺杂具有室温铁磁性,具有390nm处的近紫外发光峰;0.5%Ni掺杂ZnO观测到了室温铁磁性,Ni掺杂影响紫光发光峰。掺杂引起了缺陷浓度的变化,改变其发光性质,磁性质来源被认为是自旋载流子的交换产生的。


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