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半导体纳米晶(量子点)具有表面效应和量子尺寸效应等基本物理性质,使得这些材料在光电信息领域、生命科学领域、医学领域和基础物理研究领域占有举足轻重的地位。而稀土离子是许多激光材料、稀磁半导体材料、非线性光学材料以及纳米发光材料中的激活离子,它们作为杂质掺入晶体后对晶体材料的微观结构、电性质、光磁性质等有着极其重要的影响,因而近年来稀土离子掺杂半导体纳米晶的制备和光物理性质的研究受到学术界的广泛关注。直接宽带隙半导体ZnO是蓝紫光及紫外等未来信息高科技领域的重要基础材料,由于ZnO可产生UV,蓝,绿光发射,而缺乏强烈的红光发射,在氧化锌基质中掺杂稀土Eu3+,可得到白光发射,有助于实现其在全彩色平板显示器、场发射显示器或照明中的应用。另一类半导体钙钛矿氧化物也是性能优异的基质材料,其带隙和结构可以通过改变样品的成分比例而调节,在其中掺入适当的稀土离子有望获得稀土的特征发射,应用于平板显示和光电集成设备。本文制备了掺稀土铕离子的氧化锌和掺稀土铕离子的钛酸铅锶钠米晶并研究了其结构和发光性能,获得室温可见区较强的光致发光,探讨了发光过程中稀土与基质之间的能量传递机制。主要工作如下:
⑴采用溶胶-凝胶法制备了ZnO纳米晶,X射线衍射(XRD)结果表明样品具有六角纤锌矿多晶结构且有很好的结晶质量,扫描电子显微镜(SEM)照片可以明显看到ZnO颗粒为纳米六角晶柱状。详尽的研究了样品的紫外发射稳态和瞬态光谱随激发功率的依赖关系,观察到自由激子的发光,激子-激子碰撞和电子-空穴等离子体引起的受激发射,首次报道了自由激子以及激子-激子碰撞随泵浦功率依赖的动力学过程。这对理解激子带边发射有一定帮助,对ZnO材料在短波长半导体光电器件方面有潜在的应用价值。
⑵采用溶胶-凝胶法制备了纯的和掺杂稀土铕离子的ZnO纳米晶。用320nnl的飞秒脉冲激发850℃下退火的掺3mol％的氧化锌样品,观察到了很强的紫外激射,比没掺杂稀土的氧化锌样品紫外激射强度高,阈值低。用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)观察了它们的形貌和结构。认为增强的激射是减少的氧空位的结果。和高温退火的样品不同,在650℃下退火的掺3mol％的氧化锌样品中观察到从ZnO基质到Eu3+的有效能量传递,紫外激发下样品发射白光。研究表明表面缺陷态有助于从氧化锌基质到Eu3+的能量传递。这些结果表明掺杂铕离子的氧化锌纳米晶是有潜力的激光光源和白光光源。
⑶采用溶胶一凝胶法制备了具有不同锶铅配比的掺杂稀土Eu3+离子的钛酸锶铅纳米晶(PbxSr1-xTiO3,x=0.4,0.5,0.6)。样品在900℃的温度下进行了退火。用X射线衍射(XRD)研究了样品的晶体结构。XRD结果发现随着铅掺杂比例的增大,衍射峰逐渐分裂为两个峰,且分裂峰之间的间隔越来越大,对样品的(001/100)峰进行了双峰拟合,由拟合结果计算了样品的晶格常数,计算结果表明样品中晶格常数c和a之比随铅掺杂比例的增大而增大,晶胞体积变大。表明材料从立方结构逐渐向四方结构转变。室温下用紫外光激发,样品有较强的来自稀土铕离子的特征红光,表明存在从基质到稀土离子的能量传递。首次研究了成分变化引起的结构相变对掺稀土Eu3+离子的钛酸锶铅纳米晶的发光性能的影响。