Zn1-xCuxO微納結(jié)構(gòu)的制備及其光學(xué)磁學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、微納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)與其成分、形狀和尺寸有著密切的關(guān)系。目前,對ZnO微納材料的可控制備、表征與應(yīng)用研究引起了材料、物理、化學(xué)等領(lǐng)域研究人員的廣泛興趣。在本文中我們選擇了Cu摻雜ZnO體系作為研究對象。與其他過渡金屬摻雜元相比,Cu摻雜不僅是一種實現(xiàn)室溫鐵磁性有效的摻雜元,而且具有其自身的優(yōu)勢:如銅替代鋅的摻雜為p型,銅離子半徑與鋅離子離子半徑差異較小,摻雜所需要的結(jié)合能低等。此外,由于Cu及其氧化物都是非磁性的,這種不會產(chǎn)生磁性沉

2、淀的摻雜有利于我們研究稀磁半導(dǎo)體磁性的來源。目前為止,人們已經(jīng)在實驗上通過各種方法實現(xiàn)了Cu摻雜的ZnO樣品的制備,但對Cu摻雜ZnO磁性的來源是外部Cu引入還是來源于本征結(jié)構(gòu)的缺陷仍然存在一些爭議;而且目前的文獻(xiàn)報道主要集中在體材料與薄膜中,只有較少關(guān)于C u摻雜ZnO—維納米結(jié)構(gòu)報道(如一維的納米線,納米棒以及納米釘?shù)?。而ZnO球殼結(jié)構(gòu)以及三維分層結(jié)構(gòu)具有特殊的結(jié)構(gòu)和獨特的性能,設(shè)計和可控制備球殼結(jié)構(gòu)以及分層結(jié)構(gòu)材料在材料制備領(lǐng)域

3、受到了人們廣泛的關(guān)注。如球殼結(jié)構(gòu)具有獨特的幾何外形和大的比表面積,與一維納米結(jié)構(gòu)相比在高性能催化劑,傳感器,藥物傳輸,能量存儲等方面存在潛在的規(guī)模應(yīng)用。由一維結(jié)構(gòu)納米材料構(gòu)筑的ZnO三維分層結(jié)構(gòu)有望于應(yīng)用復(fù)合功能納米電子器件中(如氣體傳感器,光催化產(chǎn)氫等)。所以制備銅摻雜的ZnO磁性球殼結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)的制備是十分必要而且重要的。據(jù)我們所知,目前還沒有關(guān)于銅摻雜ZnO磁性球殼結(jié)構(gòu)與Zn^CuxO三維分層微十字架結(jié)構(gòu)相關(guān)的報道。

4、　　本文主要集中于探索Zn^CuxO空球殼結(jié)構(gòu)與分層結(jié)構(gòu)的方法,并對所制備的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)表征,研究了Cu摻雜前后對樣品形貌與結(jié)構(gòu)的影響,并解釋其生長機(jī)理;在性質(zhì)方面,探討了Cu引入對 ZnO光學(xué)性質(zhì)的影響;在應(yīng)用方面,對所制備的Cu摻雜ZnO空球殼結(jié)構(gòu)的磁性進(jìn)行了研究。實驗上,在制備ZnO球殼結(jié)構(gòu)與分層結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的過程中通常需要較高的反應(yīng)溫度,復(fù)雜多步的反應(yīng)步驟,或者會因模板或催化劑的使用而引入一些雜質(zhì),這些都不利于所制備的納米

5、結(jié)構(gòu)在器件上的應(yīng)用。因此,用一種簡單,低溫,無催化,可控的方法制備出具有新穎或潛在應(yīng)用價值的復(fù)雜結(jié)構(gòu)仍然是一個挑戰(zhàn)。迄今為止,在各種制備ZnO微納結(jié)構(gòu)的方法中,化學(xué)氣相沉積法被證明是一種有效的易于生長出多種形貌的納米結(jié)構(gòu)的合成方法。通過化學(xué)氣相沉積法成功地制備出Cu摻雜ZnO空球殼結(jié)構(gòu)。通過改變生長條件,研究樣品的形貌,結(jié)構(gòu)變化,我們對其生長機(jī)理進(jìn)行了探討。對其光學(xué)性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn),C u摻雜使得ZnO可見區(qū)發(fā)光顯著增強(qiáng)。制備出的球殼結(jié)構(gòu)具

6、有室溫鐵磁性,其磁性來源于Cu引入產(chǎn)生的大量缺陷。缺陷會導(dǎo)致磁性的增強(qiáng),我們可以通過改變摻雜濃度來調(diào)控磁性的強(qiáng)度。
　　本文用簡單無催化的氣相沉積法實現(xiàn)從一維納米棒到ZnkCuxO三維分層的微十字架結(jié)構(gòu)的制備。該方法的要點是利用了高溫有利于Cu的聚集、成核、分支外延生長等。高含量的Cu的引入實現(xiàn)了通常ZnO六方結(jié)構(gòu)向四方對稱結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。我們還發(fā)現(xiàn)本方法所制備的單個Zni_xCuxO微十字架結(jié)構(gòu)由于C u濃度分布的不同而顯示出有趣的

7、不均勻發(fā)光現(xiàn)象。此外, ZnO中高的激子束縛能量大(60 meV)導(dǎo)致室溫下高濃度的激子的產(chǎn)生,這將有利于ZnO在低的激發(fā)能量密度下產(chǎn)生激光現(xiàn)象,從而在短波長發(fā)光器件與激光器件中表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。因而在本文?我們也選擇了ZnO的激光發(fā)射性質(zhì)進(jìn)行研究。通過化學(xué)氣相沉積法實現(xiàn)了納米線環(huán)繞納米管,納米管組裝微球殼等復(fù)雜的Z n O微納結(jié)構(gòu)的制備,從實驗上觀察到隨機(jī)激光發(fā)射信號。在ZnO納米塔結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)其具有固定模式的激光發(fā)射峰,通過理論