低维宽带隙Ⅱ-Ⅵ半导体材料的制备及性能的研究

发布时间：2017-08-21 06:31

  本文关键词：低维宽带隙Ⅱ-Ⅵ半导体材料的制备及性能的研究

  更多相关文章： 气相传输法 纳米晶体 紫外光探测 能带可调 激光发射

【摘要】：II-VI族半导体纳米晶体由于其宽带隙结构和优异的光学性质,在光电器件中展现出广阔的应用前景。对于II-VI族半导体纳米晶体,可以通过不同的制备工艺来获得丰富的形貌结构,并且展现出相应独特的光电性能。合理和精确调控半导体纳米材料光电性能,对其在场发射显示、发光二极管、半导体激光器、太阳能、传感器等领域的应用具有重要的研究意义。本论文利用高温气相传输法制备了Zn S、Znx Cd1-x S、Cd S1-x Sex纳米晶体并对其发光、紫外光探测和激光等光电性能进行了系统的研究。主要研究工作如下:(1)以Zn S颗粒为原材料,利用气相传输法制备Zn S纳米线。利用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)等表征手段对纳米线的形貌和结构进行了系统地分析。XRD和高倍透射表征结果表明Zn S纳米线是单晶纤锌矿结构。利用荧光光谱仪测试Zn S纳米线的光致发光特性,仅呈现近带边的紫外发射,其发光中心大约在347 nm。为了深入地阐释其发光机理,我们研究了纳米线的变温光致发光性能,并且得到了相关的光学常数,比如其激子活化能、Varshni系数等,并以此详细地解释了Zn S发光的机理。此外基于其带边紫外发射,通过构建了单根Zn S纳米线的紫外探测器并对其紫外光响应特性进行了研究。结果表明,Zn S具有良好的光电开关能力和极快的光响应速度,这进一步说明Zn S纳米线特别适合应用于紫外光探测器件。(2)以Zn S和Cd S颗粒为原材料,利用掺杂工艺调节Zn/Cd的摩尔比例制备波长可调的Znx Cd1-x S纳米带。利用SEM、EDS和XRD对纳米带的形貌和结构进行详细地表征分析。结果表明Znx Cd1-x S样品为带状结构并具有三元合金特性,同时XRD分析揭示了晶格常数与合金组分x呈线性关系。荧光测试结果表明,样品的发射带均有一个近带边的发射峰,其发射波长逐渐从紫外区(341nm)向可见区(513nm)发生红移。其中组分x=0.59和x=0.42两个样品在530 nm左右出现缺陷峰,这是由晶体结构本身决定的。我们推测,在合成三元合金Znx Cd1-x S时,由于Zn和Cd原子半径大小的不同,当Zn/Cd比例相当时,合金的晶体结构会发生微小的变化,从而引起其缺陷峰的出现。根据能带与组分x的拟合曲线可得,Znx Cd1-x S纳米带的能带可调性对相应组分x具有依赖性。因此说,调节半导体化合物的组分是一种调节其带隙的重要手段。(3)利用第一性原理计算了样品的能带结构,并阐释了其能带可调谐的机制。利用气相传输法和掺杂工艺制备了形貌均匀的Cd S1-x Sex纳米带,并对样品的形貌和结构进行了系统表征,Cd S1-x Sex纳米带是单晶纤锌矿结构。通过调节Zn/Cd不同掺杂比例,制备了发光波长在507 nm至710 nm之间连续可调的纳米带微结构。通过对变温光致发光光谱的分析,得到了不同样品的激子相关光学特性常数,解释了Cd S1-x Sex纳米带的发光机理。通过共聚焦显微荧光技术实现了Cd S1-x Sex纳米结构的F-P模微激光辐射,并且通过时域有限差分方法(FDTD)进一步从理论上证明在纳米带两边形成F-P激光发射。
【关键词】：气相传输法 纳米晶体 紫外光探测 能带可调 激光发射
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.25
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-29
• 1.1 引言12
• 1.2 半导体材料简介12
• 1.3 半导体纳米材料的特殊效应12-14
• 1.3.1 量子尺寸效应13
• 1.3.2 表面效应13
• 1.3.3 小尺寸效应13
• 1.3.4 介电限域效应13-14
• 1.3.5 宏观量子隧道效应14
• 1.4 半导体纳米材料的主要制备方法14-21
• 1.4.1 液相法15-18
• 1.4.2 气相沉积法18-21
• 1.5 半导体纳米材料在不同领域的应用研究21-27
• 1.5.1 生物医学21-22
• 1.5.2 半导体太阳能电池22-23
• 1.5.3 半导体光电探测器件23-25
• 1.5.4 半导体发光二极管25-26
• 1.5.5 半导体激光器（受激辐射）26-27
• 1.6 本论文的主要研究内容27-29
• 第二章 高质量ZnS纳米线的光致发光和光响应特性29-38
• 2.1 引言29
• 2.2 实验部分29-30
• 2.2.1 样品的制备29-30
• 2.2.2 样品表征与测试30
• 2.3 结果与讨论30-37
• 2.3.1 ZnS纳米线形貌和结构表征30-32
• 2.3.2 ZnS纳米线的光学特性32-34
• 2.3.3 ZnS纳米线的光学常数34-35
• 2.3.4 ZnS纳米线的紫外光探测性能的研究35-37
• 2.4 小结37-38
• 第三章 三元Zn_xCd_(1-x)S纳米带的制备及能带调控38-45
• 3.1 引言38-39
• 3.2 实验部分39
• 3.2.1 样品制备39
• 3.2.2 样品表征39
• 3.3 结果与讨论39-44
• 3.3.1 Zn_xCd_(1-x)S样品的形貌39-40
• 3.3.2 Zn_xCd_(1-x)S纳米带的XRD分析40-42
• 3.3.3 Zn_xCd_(1-x)S纳米带连续可调谐的光致发光谱42-43
• 3.3.4 Zn_xCd_(1-x)S纳米带的能带调控43-44
• 3.4 小结44-45
• 第四章 带隙可调谐CdS_(1-x)Se_x纳米微结构的激子发光机制及其激光特性45-59
• 4.1 引言45-46
• 4.2 实验部分46-47
• 4.2.1 样品制备46
• 4.2.2 表征与测试46-47
• 4.3 结果与讨论47-58
• 4.3.1 带隙可调谐CdS_(1-x)Se_x的理论分析47-49
• 4.3.2 CdS_(1-x)Se_x纳米带的形貌及结构49-51
• 4.3.3 CdS_(1-x)Se_x微米带的光致发光特性（PL）和禁带宽度（Eg）51-53
• 4.3.4 CdS_(1-x)Se_x纳米带的变温光致发光特性53-54
• 4.3.5 CdS_(1-x)Se_x纳米带的光学常数54-55
• 4.3.6 CdS_(1-x)Se_x纳米带的激光特性55-57
• 4.3.7 时域有限差分法模拟CdS_(1-x)Se_x纳米带的F-P微激光57-58
• 4.4 小结58-59
• 第五章 结论与展望59-61
• 5.1 结论59-60
• 5.2 展望60-61
• 参考文献61-70
• 致谢70-71
• 在学期间发表的学术论文71

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