论文总字数：22054字

摘 要

采用化学水浴的方法制备了掺杂Al，Cu，Co的氧化锌粉末，研究了不同掺杂离子对ZnO可见光区域发光强度和透光率的影响。采用XRD，SEM，UV-Vis紫外—可见光光谱仪，荧光光谱仪等测试手段对未掺杂及掺杂后的ZnO纳米粉体的晶体结构，微观形貌，光学性能进行表征和测试。结果表明，本实验中，掺杂离子成功掺杂到ZnO晶格中。相对于未掺杂的ZnO粉体，掺杂了Al，Cu，Co后的样品表现出良好的可见光发光强度和透光率。

关键字：掺杂，化学水浴法，光致发光，可见光

The Preparation and Optical Performance of ZnO Nanomaterials

Abstract

We prepared the zinc oxide doped with Al, Cu, Co’s using the method of chemical bath, and we compared the effects of different dopants on ZnO’s luminous intensity and transmittance in the visible region. This article uses XRD, SEM, UV-Vis spectroscopy, fluorescence spectroscopy and other means of testing to characterize the crystal structure, morphology, optical properties of undoped and doped ZnO nanopowders. The results show that dopant ions doped into the ZnO lattices successfully. Compared with the undoped ZnO powder, the samples doped with Al, Cu, Co have the better visible light transmittance and intensity.

Key Words: Doping, Chemical bath, Photoluminescence, Visible light

目 录

纳米ZnO的制备及其光学性能 I

摘 要 I

The Preparation and Optical Performance of ZnO Nanomaterials II

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 ZnO纳米材料的结构与性质 2

1.2.1 ZnO基本性质 2

1.2.2 ZnO晶体结构 4

1.3 ZnO纳米材料的研究进展 4

1.3.1 ZnO丰富的微纳米形貌 5

1.3.2 ZnO纳米材料的制备方法 7

1.4 ZnO的应用 9

1.4.1 光电方面的应用 10

1.4.2 压电方面的应用 11

1.4.3 稀磁方面的应用 11

1.4.4 气敏方面的应用 12

1.4.5 压敏方面的应用 12

1.5 选题意义和研究内容 13

第二章 实验部分 14

2.1 实验仪器与实验药品 14

2.1.1 实验仪器及试剂 14

2.1.2 分析仪器 14

2.2 掺杂一维ZnO纳米结构的制备 15

第三章 掺杂ZnO纳米粉体的测试及表征技术 16

3.1 X射线衍射(XRD) 16

3.2 扫描电子显微镜(SEM) 17

3.3 光学透射谱表征 18

3.4 光致发光谱(PL) 18

第四章 氧化锌生长机理讨论 20

4.1 水热条件下ZnO纳米结构的生长机理 20

4.2 纳米ZnO的掺杂 21

第五章 结论与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 23

参考文献 24

致 谢 27

第一章 文献综述

1.1 引言

纳米科学技术(Nano Science and Technology, Nano ST)是80年代末期诞生并正在崛起的新科技，被认为是21世纪头等重要的科学技术。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指l～l00nm。纳米材料又称纳米结构材料，是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料按照基本单元的空间维数可以分为零维、一维和二维纳米材料，即载流子在纳米结构中的输运仅仅被允许在零维、一维或者二维方向上进行，所以零维、一维和二维纳米材料又分别被称为量子点、量子线和量子阱，空间维数就是指载流子未被约束的自由度。

纳米材料所表现出的表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等纳米效应，使纳米材料具有比体材料更优越的光、电、磁、热、敏感特性以及物理机械特性，使其具有广阔的应用前景，对其特殊性质的应用研究已成为科学研究的热点。现如今纳米科学技术正在改变着每一种人造物体的特性，材料性能的重大改进以及制造方式的重大变化，将在新世纪引起一场新的工业革命^[1-3]。

信息、能源和材料是新技术革命的先导，半导体材料是支撑现代信息社会的基石，也是新能源利用和开发的重要基础。从最早的锗（Ge）开始，半导体材料在近几十年历史中，从窄禁带到宽禁带，从红外到紫外，已经经过了三代发展。近年来以ZnO、GaN、AIN、SiC为代表的第三代半导体材料（宽禁带半导体材料）以其禁带宽度大、抗辐射能力强、击穿电场高、耐高温、热导率高、毒性小等众多优点显示出更加广阔的应用前景。与第一代（Ge、Si）第二代半导体（GaP、GaAs等）相比，第三代半导体材料在光电子器件等领域拥有更大的发展空间。目前在对于第三代半导体材料的研究中比广泛与较成熟的是氮化镓（GaN）基材料，目前广泛应用于发光器件领域，因为通过对其进行掺杂能实现从红外到紫外的光谱范围的发光。虽然GaN以其种种优势在发光器件领域中己经是一种很有竞争力的材料，但由于GaN原材料价格昂贵且制备工艺复杂，在实际应用中受到了较大的制约。ZnO作为一种新型的直接带隙宽禁带半导体材料可以具有多种的纳米结构，与GaN相比ZnO具有更大的激子束缚能，和更高的熔点，但有着相似的禁带宽度和晶格结构，两者可以互为缓冲层制造各种结构与器件，这更加拓宽了两者的用途，不仅如此ZnO还具有原料丰富廉价、制备技术简单等优点，因此，ZnO被认为是替代GaN的理想材料材料而成为现代科学技术研究的热点之一。

一维ZnO纳米材料由于其丰富的表面形貌，使其在性能方面表现出与块体材料不同的独特性质。近几年，研究人员通过采用各种工艺制备出了许多不同形貌的一维ZnO纳米材料，常见的有纳米管、纳米线、纳米棒和纳米带，还有其他一些奇异的形貌如纳米花、纳米梳、纳米螺旋杆、纳米四脚状结构等。^[4-11]

目前，一维ZnO纳米材料以其独特的优势已经在一些基础研究和应用领域崭露头角：在催化和光催化领域，因其具有大的比表面积和较多的表面活动中心，所以作为催化剂时，能大大提高反应速率，其反应速度是普通ZnO粉体材料的100～1000倍；在气敏领域，以一维ZnO纳米材料作为气敏材料能提高气敏元件的灵敏度，通过掺杂能提高对各种气体的选择性；在光、电领域，其表现出来的小尺寸效应、量子限域效应能进一步提高光存储密度、光记录信息的存取速度，有望成为下一代紫外光半导体激光器，引起光信息存储的巨大变革；在日用化工及生物医学领域，其体积效应、表面效应和高分散能力，使制造出来的陶瓷制品、日用化妆品、涂料等具有较高的质量，并且抗菌、抗腐蚀、能屏蔽紫外线。此外利用一维ZnO纳米材料丰富的纳米结构还能制造出许多性能优良的功能器件。如果能够应用一些新的制备工艺和关键技术，将一维ZnO纳米材料组装成复杂的结构，并通过各种手段对制备工艺和器件性能进行优化，那么一维ZnO纳米材料的研究与应用将在纳米学科领域书写新的篇章。

1.2 ZnO纳米材料的结构与性质

1.2.1 ZnO基本性质

氧化锌是由II-VI族元素组成的化合物，无毒、无臭、无味、无砂性，系两性氧化物。它在水溶液中的溶解度很低，但易溶于酸和强碱等溶剂。在通常情况下，氧化锌被称作锌白(zinc white)，是一种白色的粉末，广泛应用于涂料等工业产品之中。从能带的角度来看，氧化锌又是一种宽禁带(3.37eV)直接带隙，具有压电和光电特性的半导体材料，属n型氧化物半导体，是近二十年来的研究热点。氧化锌晶体的一些物理常数如表1-1^[12-13]所示。

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