Co掺杂ZnO纳米线的制备及其磁性和光学性能的研究

发布时间：2017-03-20 07:02

  本文关键词：Co掺杂ZnO纳米线的制备及其磁性和光学性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：氧化锌(zinc oxide)材料作为一种重要的直接宽带隙半导体,它具有较宽的禁带宽度以及较高的激子束缚能,分别为3.37 e V、60 me V。氧化锌除了具有这两种特性外,还包括良好的压电性质、大的比表面积等其他半导体所具有的特性,这些特性使其在光电子器件、自旋存储器件等各个领域的应用非常广泛。氧化锌材料本身具有良好的本征特性,将其他离子掺入其中后使其具有的本征光学性能和磁学性能得到优化,这种优化使氧化锌材料的发展更为迅速,距离其实际应用更近一步。本论文采用两种实验方法,分别是化学气相沉积法和简单可控的溶液法,制备出纯度较高长径比较大的Zn O纳米线和垂直于衬底生长的Zn O纳米线阵列,并在此基础上利用钴元素掺杂Zn O纳米线。利用X射线衍射仪、透射电镜、扫描电镜、超导量子干涉仪、荧光光谱仪等测试仪器分析样品的结构和性能(光学和磁学性能)。我们对纯Zn O纳米线进行如下研究:1、采用传统的简单有效的溶液法,分别在有无种子层基片的情况下进行Zn O纳米线的制备,发现Zn O纳米颗粒膜作为种子层对后期在基片上生长出垂直的Zn O线阵列起到关键性的作用;而在无种子层的基础上的Zn O纳米线的形貌差别很大。说明种子层的存在是纳米线直立生长的主要原因,而且种子颗粒大小决定了纳米线的直径大小,溶液法得到的纳米线直径范围为150-250 nm。2、本论文在制备纯Zn O纳米线的时候侧重条件的调控,研究Ar,O2流量和管内压强对纳米线生长的影响趋势,研究发现随着Ar流量的增大,纳米线的长度增大,但是过大的流量会产生反作用,阻碍纳米线的生长;随着O2流量的升高,纳米线的长度一直在增大,但是纳米线也在变得更粗;压强增加时(37.5 torr升高至75 torr),纳米线的长度达到70μm,长径比达600。在纯Zn O的基础上制备出钴掺杂的Zn O纳米线的研究如下:1、我们按照Zn与Co的比例为100:1,10:1,5:1和1:1进行溶液法掺杂并且测试了其磁性和发光性能,发现按100:1的比例掺杂的矫顽力能够达到242.7 Oe,表现出明显的铁磁性特征。随着掺杂浓度的加大,生成了其他相使磁性减弱,掺杂浓度过大将会导致Zn O纳米线阵列的形貌发生变化。光学性能上,其主要的发射峰的峰位置在466 nm,527 nm,621 nm左右,分别发射绿光和红光。并且比例为100:1的样品的结晶质量最好。2、化学气相沉积法制备了钴掺杂的Zn O纳米线,实验条件的调节使纳米线的长度达200μm,之后对其磁性和光学性能进行了测试。发现矫顽力较大的(450 Oe)Zn O纳米锥磁性较好,但是结晶质量较差,并且纳米线形状达不到器件的制备要求。调节条件得到了矫顽力在361 Oe的长度较大的样品,其发射峰的峰位在385 nm和467 nm左右,可见光发射峰的峰宽非常大。
【关键词】：ZnO 溶液法 气相沉积法 光学性能 磁学性能
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.21;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 前言11
• 1.2 ZnO纳米材料的结构和基本性质11-18
• 1.2.1 ZnO纳米材料的结构11-13
• 1.2.2 ZnO纳米材料的基本性质13-18
• 1.3 ZnO纳米线的应用18-22
• 1.3.1 电子器件18-20
• 1.3.2 光催化20-21
• 1.3.3 纳米发电机21-22
• 1.4 ZnO纳米材料的制备方法22-29
• 1.4.1 溶胶凝胶法22
• 1.4.2 溶液法22-24
• 1.4.3 磁控溅射法24
• 1.4.4 模板法24-25
• 1.4.5 气相沉积法25-29
• 1.5 掺杂对ZnO性质的影响29
• 1.6 本课题研究的内容及意义29-31
• 第二章 样品的检测和原理31-38
• 2.1 实验装置31-32
• 2.2 检测仪器和原理32-38
• 2.2.1 X射线衍射33
• 2.2.2 场发射扫面电镜（FESEM）33-34
• 2.2.3 能量色散谱（EDS）34-35
• 2.2.4 透射电子显微镜（TEM）35
• 2.2.5 洛伦兹透射电子显微镜（LTEM）35-36
• 2.2.6 超导量子干涉仪（SQUID）36-37
• 2.2.7 荧光光谱（SF）37-38
• 第三章 ZnO纳米线的制备及表征38-48
• 3.1 溶液法制备ZnO纳米线及结构表征38-40
• 3.1.1 有/无种子层时ZnO纳米线的制备法38-39
• 3.1.2 样品的相组成与结构表征39-40
• 3.2 CVD法制备ZnO纳米线及结构表征40-47
• 3.2.1 ZnO纳米线的制备40-41
• 3.2.2 Ar流量变化对ZnO形貌的影响41-42
• 3.2.3 O_2流量变化对ZnO形貌的影响42-43
• 3.2.4 管内压强变化对ZnO形貌的影响43-44
• 3.2.5 不同形貌ZnO纳米线的基本表征及光学性能44-47
• 3.3 本章小结47-48
• 第四章 Co掺杂ZnO纳米线的制备及表征48-65
• 4.1 引言48
• 4.2 溶液法制备Co掺杂ZnO纳米线阵列48-55
• 4.2.1 Co掺杂ZnO纳米线阵列的制备48-49
• 4.2.2 Co掺杂ZnO纳米线阵列的表征49-52
• 4.2.3 Co掺杂ZnO纳米线阵列的磁性能52-54
• 4.2.4 Co掺杂ZnO纳米阵列的光学性能54-55
• 4.3 CVD法制备Co掺杂ZnO纳米线及其表征55-64
• 4.3.1 Co掺杂ZnO的实验流程55-56
• 4.3.2 Co掺杂ZnO纳米线的基本结构表征56-61
• 4.3.3 Co掺杂ZnO纳米线的磁性能61-62
• 4.3.4 Co掺杂ZnO纳米线的光学性能62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 第五章 实验过程各种ZnO纳米形貌65-71
• 5.1 硅基片的影响65-67
• 5.2 低温下反应釜的影响67-68
• 5.3 气氛与温度的影响68-69
• 5.4 Zn源变化的影响-Zn箔69-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 本文的主要结论71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-77
• 在学研究成果77-78
• 致谢78

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本文编号：257327