六角锥状ZnO纳米结构的生长机理、结构及光学性能(英文)

利用醋酸锌[Zn(CH3COO)2·2H2O]和六次甲基四胺(C6H12N4)以一定比例配置成反应溶液,通过水热合成法制备了六角锥状ZnO纳米结构。同时,使用了扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射和选区电子衍射(SAED),对样品的形貌与结构进行了分析。结果表明,样品形貌成六角锥状结构,并且在[002]方向择优生长。通过对样品的光学性能测试,由PL光谱分析可知,样品在379nm处有一个较强的紫外发光峰,并且在可见光区域产生了一些较弱的可见光发射峰,表明制备的六角锥状ZnO纳米结构的晶体质量不是很好。除此之外,对六角锥状ZnO的生长机理也进行了讨论。     

ZnO亚微米和微米棒的晶体生长及发光性质

用硝酸锌Zn(NO3 )2·4H2O和六亚甲基四胺 (CH2 )6N4,通过化学溶液法在玻璃衬底上生长出ZnO六角形亚微米和微米棒(长 5~6μm,直径 0. 8 ~5μm)。生长时间达两天后,ZnO棒呈中空六角形微米管。测量了样品的X射线衍射(XRD)谱,扫描电镜像和喇曼光谱。ZnO微米棒的光致发光为橙红色宽谱带发射(峰值 630nm, 半峰全宽 250nm), 其激发光谱除带间本征激发(短于 370nm)外,还有很强的在导带底附近的室温激子激发峰(峰值 387nm,半峰全宽 30nm)。而阴极射线发光有两个发射峰,橙色宽谱带强峰 (峰值580nm,半峰全宽约为140nm)是缺陷发光峰,近紫外窄谱带弱峰(峰值 395nm,半峰全宽约为 20nm)是激子发光峰。     

一步溶液法制备ZnO亚微米晶体棒及其发光性能

用硝酸锌(Zn(NO₃)₂·4H2O)或醋酸锌(Zn(CH₃COO)₂·2H2O)分别与六亚甲基四胺((CH₂)₆N₄)以等浓度0.005mol/L配制成两种反应溶液,通过化学溶液法在玻璃衬底上生长出ZnO六角型亚微米棒(长5~8μm,直径300~700nm)。测量了样品的XRD和扫描电镜像。经XRD分析,所得样品均为纤锌矿的ZnO六角型晶体。扫描电镜(SEM)像表明,生长时间为3h或5h时,样品为细长条的棒状结构,长径比超过10:1;生长48h后的ZnO亚微米棒的一端被腐蚀成一定深度的ZnO亚微米管。用负离子配位四面体生长模型分析了ZnO亚微米棒的生长机理。ZnO亚微米棒退火前后的光致发光谱表明,退火处理后的发射谱中的紫外峰消失,而红色发光峰红移并且增强(峰值由630nm左右移到710nm),同时它的激发光谱中的室温激子激发峰也增强。     

制备一维可控形貌的ZnO微米棒

用化学溶液法以醋酸锌和六亚甲基四胺为原料在玻璃衬底上生长出不同形貌的亚微米和微米ZnO棒。探讨了反应液的酸碱度和反应液浓度对生成的ZnO棒形貌的影响，并分析了其生长机制。通过控制一定的酸碱度和溶液浓度，可以得到规则的六角ZnO棒状阵列。这种规则的六角棒沿着[002]方向生长。测量了样品的XRD，扫描电镜像(SEM)，并对其发光性能进行了测量分析。其中规则六角ZnO棒的光致发光光谱中有一很强的峰值650nm红色宽谱带和一峰值约387nm的激子发光峰。激子发光峰加宽，实际上是自由激子的发光峰(380nm)和Zni的发光峰(430nm)的叠加。而红色发光峰可能是Vo2+中的电子和价带中的空穴辐射复合所致。     

水热法制备Co掺杂ZnO纳米棒及其光学性能

采用水热法在石英衬底上以Zn(CH3COO)2.2H2O和Co(NO3)2.6H2O水溶液为源溶液,以C6H12N4(HMT)溶液作为催化剂,在较低温度下制备了Co掺杂的ZnO纳米棒。采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对所生长ZnO纳米棒的晶体结构和表面形貌进行了表征,考察了Co掺杂对ZnO纳米棒微观结构和对发光性能影响的机制。结果表明:Co掺杂的ZnO纳米棒呈六方纤锌矿结构,具有沿(002)面择优生长特性,Co掺杂使ZnO纳米棒的直径变细;同时室温光致发光(PL)谱检测显示Co掺杂ZnO纳米棒具有很强的近带边紫外发光峰,而与深能级相关的缺陷发光峰则很弱。本研究采用水热法在石英衬底上于较低温度下生长出了具有较高光学质量的Co掺杂ZnO纳米棒。     

两步溶液法制备亚微米ZnO棒阵列及其退火后的发光

通过改变溶液浓度、酸碱度等生长条件,用两步化学溶液沉积法在玻璃衬底上制备出有序排列的亚微米级ZnO棒阵列,棒的截面呈正六边形,直径约为200~500nm。测量了样品的XRD谱和扫描电镜像,证明这些样品都是六方纤锌矿结构的ZnO单晶,且以[002]方向择优生长。将样品退火前后的PL光谱进行比较分析,发现退火后样品的发射光谱中紫外峰消失而长波段的红色发光峰红移并且增强(峰位由630nm左右移到720nm),而其激发光谱中的室温激子激发峰也增强。当退火时间增加到6h后,出现了由430nm的蓝峰和505nm绿峰组成的宽谱带蓝绿色发射。并对发光机理进行了讨论。     

弯曲表面上ZnO亚微米棒阵列的制备

以ZnS和金属Zn粉末混合物为蒸发源以及金属Zn片为衬底,利用热蒸发气相沉积方法,在弯曲的金属Zn微球表面上,成功地获得了ZnO亚微米棒阵列结构。场发射扫描电镜研究表明:在弯曲的Zn微球表面,能自组织地生长出大量的截面为六边形的ZnO亚微米棒,这些亚微米棒的平均直径为500nm,长约1μm。棒的顶部是平滑的。能量散射X射线谱结果表明:合成的产品只存在Zn和O两种元素,其成分比例接近1∶1。没有观察到S元素。光致发射(PL)光谱显示:在387nm紫外波长处,出现一个强的半峰全宽为16nm的窄发光峰,可归属于ZnO的近带边发光,而509nm左右较弱的宽峰则源于界面缺陷态发光。这些研究结果说明我们所合成的这种ZnO亚微米棒阵列材料在紫外受激发射器件方面有着潜在的应用价值。     

气相沉积法生长不同结构ZnO纳米线及其发光

用Zn粉、Zn／In2O3／C粉作为不同锌源,通过气相沉积法在空气或N2／O2混合气氛下生长出多种形貌的ZnO纳米线（如：四脚状、多脚状、梳子状、绒棒状,以及纳米棒、纳米丝、纳米带等多种形貌）,直径约为50-1000nm,长度约为1—20μm。测量了样品的XRD谱、扫描电镜、透射电镜和选区电子衍射像,证明这些样品都是六方纤锌矿结构的ZnO单晶。四脚状样品的PL光谱显示样品存在近紫外峰（380nm）和绿峰（500nm）两个发射带,半峰全宽分别约为15,90nm,其峰值强度比其他方法（如溶液法）制得样品的峰值强。样品的尺寸对光谱强度有一定影响,但对谱峰位置并无影响。用He-Cd激光器的325nm激光对四脚状样品进行发射光谱分析,发现其近紫外激子发光大大增强而绿色缺陷发光相对较弱,近紫外的峰值位于383nm,半峰全宽约为16nm;绿峰峰值位于515nm,半峰全宽约为76nm。     

MOCVD方法生长ZnO微米柱的结构与光学性质

通过X射线衍射、扫描电子显微镜和变温光致发光光谱对MOCVD方法生长在蓝宝石衬底上的ZnO微米柱材料的结构及发光特性进行了表征.X射线衍射结果表明,ZnO具有良好的c轴择优取向,扫描电子显微镜图中可观察出ZnO微米在呈六角结构生长,半径约为0.5～1.5μm.样品的发光光谱通过He-Cd激光器的325nm线激发,从光谱中发现低温(81K)下出现极强的与激子相关的带边发光峰,温度升高到360K时与自由激子相关的紫外发射峰仍然是清晰可见.     

一维有序ZnO纳米棒阵列的制备与表征

通过改进传统水热法的密闭、高压的条件,在非密闭、常压环境下在氧化铟锡玻璃衬底上自组装生长了取向高度一致并且分散性好的ZnO纳米棒阵列.首先将乙酸锌溶胶旋涂到氧化铟锡玻璃衬底上,经热处理得到致密的ZnO纳米晶薄膜,然后将其垂直放入前驱体溶液中通过化学溶液沉积生长得到ZnO纳米棒阵列.室温条件下,对样品进行了SEM和XRD的测试.表明生成的氧化锌纳米棒阵列沿c轴取向,实现了定向生长,且纳米棒结晶较好,为六方纤锌矿结构,直径约为40 nm,长度达到微米量级.室温下的吸收光谱表明,由此方法得到的纳米棒纯度较高,有强的紫外吸收.室温下,观测到了该有序ZnO纳米棒阵列在387 nm处强的窄带紫外发射,半高宽小于30 nm,在468 nm处还有一强度较弱的蓝光发射峰.     

Characterization and optical property of ZnO nano-, submicro- and microrods synthesized by hydrothermal method on a large-scale

In the present paper, well-dispersed ZnO nano-, submicro- and microrods with hexagonal structure were synthesized by a simple low temperature hydrothermal process from zinc nitrate hexahydrate without using any additional surfactant, organic solvent or catalytic agent. The phase and structural analysis were carried out by X-ray diffraction (XRD), the morphological analysis was carried out by field emission scanning electron microscopy (FESEM) and the optical property was characterized by room-temperature photoluminescence (PL) spectroscopy. The results revealed the high crystal quality of ZnO powder with hexagonal (wurtzite-type) crystal structure and the formation of well-dispersed ZnO nano-, submicro- and microrods with diameters of about 50, 200 and 500 nm, and lengths of 300 nm, 1 μm and 2 μm, respectively, on a large-scale just using the different temperatures. Room-temperature PL spectrum from the ZnO nanorods reveals a strong UV emission peak at about 360 nm and no green emission band at ∼530 nm. The strong UV photoluminescence indicates the good crystallization quality of the ZnO nanorods. Room-temperature PL spectra from the ZnO submicro- and microrods reveal a weak UV emission peak at ∼400 nm and a very strong visible green emission at 530 nm, that is ascribed to the transition between V_oZn_i and valence band.     

纳米ZnO微晶的合成及其发光特性

以醋酸锌和尿素为主要原料,利用沉淀-水热法一步合成了纳米ZnO微晶。用XRD,TEM,FTIR等测试技术及光致发光光谱(PL)对纳米ZnO微晶进行了表征,并对其发光特性进行了分析。研究表明：该合成方法操作简单,得到的纳米ZnO颗粒基本无团聚,结晶性较好,平均粒径约为17.2 nm,并在500～750 nm范围内出现宽的PL峰, 呈现出纳米材料的发光特征。     

AlN微晶棒的的制备及光致发光性能研究

采用直流电弧放电方法,在无催化剂的条件下直接氮化Al合成纤锌矿结构的AlN微晶棒。分别利用拉曼光谱仪(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)和光致发光(PL)谱等测试手段对所制备样品进行表征和发光性能的研究。结果表明:所制备的Al N微晶棒长度约为30μm,直径约为10μm。在AlN微晶棒的PL谱中,有两个主要发光峰,中心在430 nm的发射源于VN和(V_(Al)-O_N)~(2-)构成的深施主-深受主对缺陷发光,中心在650 nm的发射源于VAl形成的深受主能级到价带的缺陷发光。在激发波长由270 nm逐渐增大到300 nm的过程中发现,Al N微晶棒波长在430 nm处的发光峰先增强后减弱,在激发波长为285 nm时强度最大;650 nm处的发光峰随激发波长增大而逐渐增强。     

Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的结构和光学性质

利用溶胶-凝胶法,在普通载玻片上使用旋转涂膜技术制备了具有c轴择优取向生长的Na-Mg共掺杂的ZnO薄膜。用XRD、SEM、光致发光(PL)及透射光谱对薄膜样品进行了表征。结果表明:Na-Mg共掺杂有利于ZnO薄膜的c轴择优取向生长,并且随着Na+掺杂浓度的增加,晶粒尺寸先增大后减小;通过比较不同掺杂浓度ZnO薄膜的PL谱,推测发光峰值位于380nm的紫外发射与ZnO的自由激子复合有关;发现掺入Mg的确能使ZnO禁带宽度增大,掺杂组分为Na0.04Mg0.2Zn0.76O时,其PL谱只有一个很强的紫光发射峰,其近带边紫外光发射强度较未掺杂的ZnO增强了近10倍,极大地提高了薄膜紫外发光性能;并且随Na+浓度增加薄膜透光性减弱。     

Mg掺杂ZnO纳米晶的低温共沉淀法制备及光学性质

采用共沉淀(co-precipitation)法制备了Mg掺杂ZnO纳米晶,分别用X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见吸收(UV-Vis)光谱、光致发光(PL)光谱、透射电镜(TEM)、电子顺磁共振(EPR)等分析手段对样品进行了表征。探究了Mg离子在ZnO纳米晶中的存在状态,ZnO纳米晶颗粒尺寸和发射光谱随Mg掺杂浓度的变化,并对其发光机理进行了分析。结果表明:Mg离子在ZnO晶格中以部分晶格位,部分间隙位的方式存在,没有形成MgO表面壳层结构;随Mg掺杂浓度的增大,ZnO纳米晶的颗粒尺寸变小,发射光的光强增大。发射光的最佳激发波长为342nm,中心波长为500nm,荧光量子产率为22.8%。实验分析表明:Mg离子的掺杂在ZnO纳米晶中引入了锌空位(VZn),间隙位的镁离子(IMg),提供了新的复合中心,从而增强了ZnO纳米晶的光致发光。     

Zn1-xMgxO薄膜p型导电和光学性能

采用超声喷雾热分解(Ultrasonic Spray Pyrolysis,USP)方法,以醋酸锌、醋酸镁、醋酸铵、氯化铝的混合水溶液为前驱溶液,在单晶Si(100)衬底上制备了ZnO,Zn_0.81Mg_0.19O,N-Al共掺杂ZnO和N-Al共掺杂Zn_0.81Mg_0.19O薄膜。以X射线衍射(XRD)、场发射-扫描电镜(FE-SEM)、霍尔效应(Hall-effect)、光致发光(Photoluminescence,PL)谱等手段研究了薄膜的晶体结构、表面形貌、电学性能、光学性能和带隙变化。电学测试结果表明,未掺杂ZnO及Zn_0.81Mg_0.19O薄膜为n型导电;而N-Al共掺杂ZnO和N-Al共掺杂Zn_0.81Mg_0.19O薄膜呈p型导电。Zn_0.81Mg_0.19O和N-Al共掺杂Zn_0.81Mg_0.19O(p型)薄膜在维持ZnO纤锌矿结构的前提下,光学带隙随Mg掺杂量增加而增大。初步结果显示,优化工艺参数下通过Mg掺杂制备光学带隙可调的p型Zn_0.81Mg_0.19O薄膜,对于试制Zn_1-xMg_xO基同质p-n结、短波长(紫外、深紫外)器件等方面有重要意义。     

磁控溅射制备ZnO薄膜的结构及发光特性研究

采用射频反应磁控溅射法在玻璃衬底上制备出具有c轴高择优取向的ZnO薄膜,利用X射线衍射、扫描探针显微镜及荧光分光光度法研究了生长温度对ZnO薄膜微观结构及光致发光特性的影响。结果表明,合适的衬底温度有利于提高ZnO薄膜的结晶质量;在室温下测量样品的光致发光谱(PL),观察到波长位于400 nm左右的紫光、446 nm左右的蓝色发光峰及502 nm左右微弱的绿光峰,随衬底温度升高,样品的PL谱中紫光及蓝光强度逐渐增大,同时,绿光峰的强度也表现出一定程度的增强。经分析得出紫光应是激子发光所致,而锌填隙则是引起蓝光发射的主要原因,502 nm左右的绿光峰应该是氧的深能级缺陷造成的。此外,还测量了样品的吸收谱,并结合样品吸收谱的拟合结果对光致发光机理的分析作了进一步的验证。     

Excitation wavelength dependent photoluminescence intensity of six faceted prismatic ZnO microrods

This article presents the investigation on the large-scale synthesis of ZnO microrods with a simple low temperature hydrothermal method without using surfactants, organic solvents, or catalytic reagents. The synthesized ZnO powder is characterized with different techniques. The X-ray diffraction study reveals the excellent crystal quality of the ZnO product possessing the hexagonal (wurtzite-type) crystal structure. The scanning electron microscope observation confirms the formation of six faceted prismatic hexagonal ZnO microrods with the aspect ratio of 10. It also reveals that the ZnO microrods grow along the (0 0 0 1) direction and finally emerge with a sharp tip because of the existence of polar faces. The UV–vis spectrum shows a sharp absorption peak centered at 370 nm, which is in a good agreement with the equivalent bulk band gap value. The strong UV absorption peak implies the excellent crystal quality of the synthesized ZnO microrods. Room temperature photoluminescence spectroscopic study of the ZnO microrods with different excitation wavelengths reveals a strong band edge emission peak centered at 398 nm and a defect related visible blue emission peak at 460 nm. The decrease in photoluminescence intensity with negligible red shift in peak position is observed with increasing excitation wavelength.     

碳泡沫衬底上氮化铝纳米线的生长及其光致发光特性研究

为了简化了AlN/C复合泡沫材料的制备流程, 本文采用复分解反应法制备AlN纳米材料, 并通过800℃退火处理使其在碳泡沫衬底上重结晶为六方相AlN纳米线. 通过形貌表征测试, 纳米线为表面光滑的长直形圆柱体, 直径约50 nm, 长度10 μm以上, 在碳微球表面沿[001]方向生长. 同时, 采用VLS生长机理对纳米线的生长进行了解释. 对样品光致发光谱的研究表明, 中心波长423 nm处存在一尖锐发光峰且随温度升高发生明显的红移现象, 系C替N杂质能级跃迁发光所致. 样品在紫光波段具有良好的光致发光特性, 有望应用于光探测器领域.