Cd掺杂ZnO的光学性质及应用研究

发布时间：2017-08-07 00:19

  本文关键词：Cd掺杂ZnO的光学性质及应用研究

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【摘要】：ZnO是一种重要的金属氧化物半导体材料,是宽禁带直接带隙半导体材料,在室温下,它的禁带宽度约为3.37 e V,激子束缚能为60 me V。近些年来,ZnO的结构以及其潜在的广泛应用(如压电效应、光电子学、光催化、光电转换与气敏特性等)吸引了大量科研人员的研究兴趣。ZnO在光学方面的性质与应用倍受关注。人们在应用研究中发现,本征ZnO半导体的性质存在不足,但是大量的实验研究表明,适当的掺杂可以改善本征体ZnO的光学性质,这对于ZnO光学性质的研究具有重要的意义。本文从理论模拟计算和实验两个方面对Cd掺杂ZnO材料的光学性质分别进行了理论基础和潜在应用的研究。在理论研究方面,采用第一性原理计算的方法以Cd原子替位掺杂2×2×2超晶胞ZnO中的Zn原子,对本证ZnO和掺杂后的ZnO:Cd晶胞进行结构优化,分别计算优化后结构体系的能带结构、态密度、布居数、介电函数以及吸收系数,并且分析了其电子结构与光学性质。结果表明,Cd掺入ZnO后,使得晶胞发生微小的膨胀;在-7 e V处出现很窄新能带,导带底下降,带隙变窄;介电函数虚部整体红移,低能区域的介电峰强度增加,高能区域的介电峰强度减小;在紫外区吸收边发生红移,且吸收系数有所增大。在实验研究方面,以Zn(NO_3)_2·6H_2O和Cd(NO_3)_2·4H_2O为源材料,采用低温水热法成功的制备了ZnO和ZnO:Cd纳米棒(其中Cd/Zn的摩尔比为0.02、0.04、0.06)。通过X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电子显微镜(SEM)分别对样品的晶体结构和表面形貌进行表征。将制备的样品制成纳米薄膜器件,利用分光光度计测试了纳米材料薄膜器件在常温环境中对1000 ppm的四种典型的还原性气体(氢气、乙醇、丙酮以及氨气)的光学气敏特性。结果表明,随着Cd掺杂浓度的增加,ZnO的晶格常数a和c的值逐渐增大,这与理论计算的结果相符;Cd掺杂前后的ZnO纳米材料均为六角纤锌矿结构的纳米棒;ZnO:Cd纳米棒比表面积更大;在室温下,Cd掺杂前后的ZnO对氨气的选择性最好;纯ZnO纳米材料薄膜器件对氢气不敏感,其灵敏度仅为1.002,对乙醇和丙酮较为敏感,灵敏度分别为1.031和1.041,而对氨气的灵敏度最高达到了1.245;Cd掺杂后,纳米材料薄膜器件对所有的测试气体敏感性都有所增强;特别地,当Cd掺杂浓度为2%时,2%ZnO:Cd纳米材料薄膜器件对氢气、乙醇、丙酮和氨气的敏感性最强,其灵敏度分别达到1.08、1.211、1.114和1.786。
【关键词】：ZnO Cd掺杂 光学性质 光学气敏特性
【学位授予单位】：重庆师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ132.41
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 ZnO材料的研究现状11-13
• 1.3 ZnO材料的基本性质13-14
• 1.3.1 ZnO晶体的基本结构13
• 1.3.2 ZnO晶体的物理性能13-14
• 1.4 本论文的立题依据、创新点与研究内容14-17
• 1.4.1 立题依据14-15
• 1.4.2 研究内容15-16
• 1.4.3 创新点16-17
• 2 第一性原理与实验方法概述17-28
• 2.1 第一性原理概述17-21
• 2.1.1 绝热近似17-18
• 2.1.2 密度泛函理论基础18-21
• 2.2 相关理论及计算方法21-24
• 2.2.1 布拉赫定理21
• 2.2.2 平面波方法21-22
• 2.2.3 赝势方法22-23
• 2.2.4 相关理论23-24
• 2.2.6 计算模拟软件介绍24
• 2.3 ZnO实验制备方法24-26
• 2.4 纳米材料的表征26-28
• 2.4.1 X射线衍射仪的测试原理26-28
• 3 Cd掺杂对ZnO电子结构与光学性质的影响28-36
• 3.1 模型构建与计算方法28-29
• 3.1.1 模型构建28-29
• 3.1.2 计算方法29
• 3.2 结构优化与能带分析29-32
• 3.2.1 掺杂前后电子结构分析29-30
• 3.2.2 掺杂前后能带结构和态密度分析30-32
• 3.3 光学性质分析32-35
• 3.3.1 光学性质理论描述32-33
• 3.3.2 Cd掺杂ZnO前后光学性质分析33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 Cd掺杂对ZnO光学气敏特性的影响36-50
• 4.1 水热法制备ZnO和ZnO:Cd纳米材料36-40
• 4.1.1 实验设备与仪器36-37
• 4.1.2 实验用品37-38
• 4.1.3 实验工艺参数38-39
• 4.1.4 衬底的预处理及清洗39
• 4.1.5 纳米材料的制备39-40
• 4.2 ZnO和ZnO:Cd纳米材料的表征与分析40-42
• 4.2.1 材料晶体结构（XRD）的测试40-42
• 4.2.2 材料表面形貌(SEM)的测试42
• 4.3 ZnO和ZnO:Cd纳米材料光学气敏特性分析42-49
• 4.3.1 光学气敏响应测试机理42-43
• 4.3.2 测试装置的具体结构43-44
• 4.3.3 光学气敏测试流程44-45
• 4.3.4 纯ZnO纳米材料对不同气体的光学敏感特性分析45
• 4.3.5 不同掺杂浓度ZnO:Cd纳米棒对不同气体的光学敏感特性分析45-49
• 4.4 本章小结49-50
• 5 结论与展望50-52
• 5.1 结论50-51
• 5.2 展望51-52
• 参考文献52-58
• 附录：作者攻读硕士学位期间发表论文及科研情况58-59
• 致谢59

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