过渡金属掺杂ZnS基纳米稀磁半导体的制备与性能研究

发布时间：2018-10-23 15:45

【摘要】：近年来,由于稀磁半导体纳米材料能够同时利用电子的电荷和自旋特性,在自旋场效应晶体管、逻辑器件、自旋极化发光二极管、磁感应器、光隔离器、半导体激光器集成电路和量子计算机等领域有着广阔的应用前景。ZnS作为一种典型的II-VI族直接带隙宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.66 eV,自由激子结合能为3.8 meV,具有良好的铁磁、压电、光电和光敏等特性。通过控制制备工艺、改变掺杂元素种类以及掺杂量可以有效调整ZnS的晶体结构和能带结构,进而达到有效控制ZnS的光学、磁学和光催化性能。本论文采用水热法成功制备出一维ZnS纳米棒样品,并系统研究了过渡金属Mn和Ni离子掺杂对样品的微观结构、形貌、光吸收特性、磁学性能及光催化活性的影响。主要研究内容及成果如下:本论文首先通过系统地改变水热反应的工艺参数(反应物质的摩尔比、反应溶剂体积比、反应温度和反应时间)获得最优化工作参数组合,实现对产物的晶型、晶粒尺寸和形貌的有效控制。利用XRD、FESEM和UV-vis等手段对所制备样品的微观结构、形貌和带隙结构等进行了表征,分析不同的工艺参数对其形貌和结构的影响。实验结果表明,反应物质的摩尔比、反应溶剂的体积比、温度和时间影响因素的变化,对所制的ZnS样品晶体结构并没有影响,所制的样品都为纤锌矿结构的ZnS,却对其形貌有明显的影响。均匀分布,结晶良好的纳米棒状ZnS表现出最好的光吸收特性。同时本论文主要以乙二胺为修饰剂,采用水热法合成了不同掺杂比例的Zn_(1-x)Ni_xS、Zn_(1-x)Mn_xS(x=0.01,0.02,0.03,0.05和0.07)稀磁半导体材料,通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线能量色散谱仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、紫外可见漫反射光谱(UV-VIS)、光致发光(PL)和振动样品磁强计(VSM)等方法对样品的微观结构、形貌和光学及磁性能进行测量表征,同时使用RhB水溶液作为阳光照射下的模型污染物,研究了Zn_(1-x)Ni_xS和Zn_(1-x)Mn_xS样品的光催化降解效率。实验结果表明,本方法制备的所有样品具有结晶良好的纤锌矿结构,没有杂峰出现。样品形貌为一维的纳米棒状,分散性良好。掺杂的Mn~(2+)和Ni~(2+)均以替代Zn~(2+)的形式进入到ZnS晶格中,随着掺杂量的增加样品的晶格常数和晶粒尺寸发生显著改变。UV-vis吸收光谱显示所有Zn1-xMxS(M=Mn和Ni)样品的带隙均大于块体ZnS的带隙(3.67eV),并且随着掺杂量的增加,分别发生蓝移和红移现象。掺杂和未掺杂样品的光致发光光谱在400-650nm范围内表现出强的蓝色发射带,同时与纯Zn S相比,Zn1-xMxS和Zn_(1-x)Ni_xS纳米棒分别在584nm和520nm处观察到有Mn~(2+)3d壳层4T1-6A1橘黄色特征发光峰和Ni~(2+)3F壳层3T1 3A2绿色特征发光峰的出现。磁性测量表明未掺杂ZnS纳米棒室温下表现为超顺磁性,而一定量的(Mn和Ni)掺杂纳米棒具有室温铁磁性,表明过渡金属的掺杂对ZnS纳米棒的铁磁性有增强的作用。使用RhB水溶液作为阳光照射下的模型污染物,Zn_(1-x)Ni_xS和Zn_(1-x)Mn_xS样品光催化降解效率研究表明,相对于未掺杂ZnS纳米棒,过渡金属的掺杂引入缺陷能级可以提高光生电子和空穴的分离效率,从而提高ZnS样品光催化效率。
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【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;O649

【参考文献】