掺镁氧化锌纳米晶的结构与光学性质

【摘要】氧化锌(ZnO)是一种Ⅱ～Ⅳ族直接带隙宽禁带半导体材料,在室温下其带隙宽度为3.37eV,具有较高的激子束缚能(60meV),有很好的导热、导电及良好的紫外吸收性能,所以在光电子和微电子等应用领域内具有广阔的发展前景。通过Mg掺杂可以起到连续调制ZnO带隙的作用,从而获得更加广泛的应用。本文以掺镁氧化锌MgxZn1-xO纳米晶为研究对象,采用X-射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(Uv-vis)、拉曼光谱(Raman)、光致发光光谱(PL)、等技术,研究了它们的制备生长、晶体结构以及光谱学特性等问题。主要成果如下：1.采用溶胶凝胶法成功制备了掺Mg的MgxZn1-x)(MZO,x=0.00,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10)纳米晶。X衍射分析表明随掺Mg量的逐渐增大,MgxZn1-xO的晶格常数α逐渐增大而c逐渐减小。当Mg含量x达到0.10时,出现了与MgO立方相有关的衍射峰,表明Zn2+被Mg2+取代的最大掺杂量为0.08。2.分别用325、488、514.5、532、632.8和785nm的激光激发了ZnO纳米晶拉曼光谱。发现用632.8nm激发时,204和332cm-1峰呈现较强,而用514.5nm激光激发时,536cm-1峰呈现较强。这可能是由于632.8nm和514.5nm的激光与带间缺陷能级发生共振效应。3.随着掺Mg量的逐渐增大,原子振动力常数增大,使得99.5,204,379,410,529和579cm-1处振动模发生蓝移。当Mg含量x增至0.10时,在277cm-1处出现了与MgO有关的附加模。4.在325nm波长激发的共振拉曼光谱中,在所有MgXZn1-xO样品中都观察到E1LO及其5级高阶模。随着掺Mg量的逐渐增大,这5阶高阶模发生蓝移,归因于掺Mg导致了电子-声子相互作用中的短程相互作用增强。同时,二级拉曼散射强度与一级拉曼散射强度之比逐渐减小,归因于掺Mg导致了电子-声子相互作用中的长程相互作用减弱。5.紫外吸收光谱表明,随掺Mg量的逐渐增大,MgxZn1-xO的带隙逐渐增大。6.室温下的光致发光谱(PL)表明,MgxZn1-XO样品的发光峰由两部分构成：一个位于紫外区的紫外发光峰；两个位于可见光区的绿色峰和橙色峰。这两个位于可见光区的发射峰为深能级发射(DLE),与氧缺陷和氧填隙有关。位于紫外区的紫外发光峰为近带边发射(NBE),随着掺Mg量达到x=0.10,紫外发光峰蓝移到3.40eV。7.低温16K时的光致发光谱(PL)表明,随着掺Mg量增加到x=0.08时,自由激子发射蓝移到353nm(3.52eV),强度达到最大,同时线宽明显减小,说明掺Mg量为0.08时,紫外发光有最大的发光增益。8.在Mg0.02Zn1-0.02样品中,位于363nm(3.43eV)和367nm(3.38eV)的发光峰分别对应于含Mg区域和不含Mg区域的自由激子复合峰。在140K以上温度时,含Mg区域中的激子迁移到不含Mg区域,使363nm处的发光峰淬灭,只存在367nm(3.38eV)处的峰。
【作者】蒋忠瑜；
【导师】朱克荣；
【作者基本信息】安徽大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】氧化锌；掺镁；结构；拉曼；光致发光；

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