ZnO纳米晶的掺杂、组装及光学性质调控

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胶体氧化锌纳米晶是一类非常重要的半导体材料,与传统薄膜材料相比它有许多优势,如优异的光电性能、易于制备和加工。不同掺杂和微结构(包括晶粒尺寸、取向、形貌、维度和结晶度)的氧化锌性能也有显著差异。因此,人们尝试通过多种方法合成尺寸和形貌可控的氧化锌纳米晶。其中,溶剂热法被证明是制备高结晶度氧化锌纳米晶的较好方法。通过调节反应配体或种子法生长可以有效调节纳米晶的尺寸和形状的各向异性,以用于特殊的用途。掺杂或合金化是调控半导体纳米晶电学和光学性能的重要手段。关于传统的低浓度掺杂的研究工作有很多,但关于合金氧化物纳米晶生长的文献资料却很少。另外,当两种氧化物晶格结构不同时,它们之间的合金化会遇到溶解度低或者相分离的问题。因此,对掺杂机理和生长行为的深入了解有利于提高合金化溶解度并阻碍相分离。鉴于镁锌氧和铍镁锌氧合金纳米晶有潜力用于深紫外光电探测器、势垒层和激光器件,在这里,我们深入探究它的生长行为,主要工作包括:1.以硬脂酸锌、乙酰丙酮锌、硬脂酸镁和乙酰丙酮镁中的一种或两种为前驱物,通过一步法制备镁锌氧合金纳米晶。并利用XRD和光学表征等手段研究了不同前驱物得到Mg Zn O样品的结构和光学性能。当反应物中镁含量增加到一定值时,产物从六方相逐渐变化为立方相。不同前驱物的不同分解速率会影响合金产物的结晶度和相分离。乙酰丙酮镁和乙酰丙酮锌反应得到的Mg Zn O合金纳米晶结晶度最高,能带最宽,达到了3.9 e V。2.通过调节镁掺杂含量我们得到了零维球状、二维花状和三维花束状Mg Zn O纳米结构。高分辨电镜的结果表明最初生成的Mg Zn O纳米颗粒在特定面连接继而组装为二维和三维结构。我们提出了一种基于掺杂-配体-生长关系的连接组装机制,傅里叶红外光谱和热重分析结果支撑了该机制。3.我们通过向Mg Zn O合金中引入少量的Be得到了单相纤锌矿Be Mg Zn O合金纳米晶。XRD和ICP-AES分析表明,Be掺杂能提高镁锌氧合金中镁的溶解度,提高合金的结晶质量并抑制合金发生相分离,制备的四元合金带隙可达4.35 e V。
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