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本文通过热蒸发法,在低于1000°C下,实现了Mn、Co掺杂ZnO纳米线和纯ZnO纳米阵列的可控制备。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射及X射线近边吸收精细结构等多种手段对Mn、Co掺杂ZnO纳米线的形貌、结构进行了表征。利用超导量子干涉仪、四探针电学测量系统、拉曼光谱仪等对Mn、Co掺杂后氧化锌的电学传输、磁学和光学性能进行了深入系统的研究。构筑了ZnO基蓝光发光二极管和紫外光传感器件,并对两种光电器件的电学特性、发光性能及光响应性能等进行了系统深入研究。
在500~780°C范围内,通过锌粉和Mn、Co的水合氯化物直接蒸发,分别合成Mn掺杂和Co掺杂ZnO的纳米线。通过优化工艺参数,实现了Mn、Co原子在ZnO纳米线中稀磁掺杂,掺杂浓度分别为4.8 at.%和3.6 at.%。
对Mn、Co掺杂的ZnO纳米线进行结构表征,发现其仍然保持ZnO的纤锌矿结构,并无第二相析出出现。X射线近边吸收精细结构谱对K边吸收峰的分析表明,Mn在ZnO中取代Zn原子位置,实现替代掺杂。同时,X射线衍射谱表明Co在ZnO的掺杂也以替代方式进行。
Mn掺杂ZnO纳米线具有低温铁磁行为,磁矩-温度关系曲线中,发现55K处出现奇异峰。Co掺杂ZnO纳米线表现出室温及较高温度下的铁磁有序现象。300K温度下Co掺杂ZnO纳米线的矫顽力场约为65.8Oe,伴随饱和磁矩约为0.2emu/g;400K温度下,测定其矫顽力场约为88.3Oe,饱和磁矩0.04emu/g。为研究两种掺杂后ZnO纳米线的电学传输性能,构筑了Mn掺杂ZnO纳米线的双电极桥式器件和Co掺杂ZnO纳米线的电流转换器件,并对其进行了系统深入研究。此外,考察了Co掺杂ZnO纳米线的光致发光性能,强烈的绿光发射峰证实了在Co掺杂ZnO纳米线中存在大量的缺陷。
利用ZnO纳米阵列和P型GaN薄膜构筑了蓝光发光二极管。对其电学整流特性、发光性能、电致发光性能及紫外光的照射影响进行了研究。发现发光二极管的电致发光峰中心,随正向偏压的升高出现蓝移现象。通过能带结构解释了这种蓝移现象。
利用单根Co掺杂ZnO纳米线和纯ZnO纳米线分别在有铂电极的硅基底上构筑紫外光传感器件,考察了这两种传感器对254nm和365nm紫外光的响应时间和光电流强度的变化。在肖特基接触下,纯ZnO纳米传感器对365nm紫外光响应比较敏感,而Co掺杂ZnO纳米传感器对254nm短波紫外光反应更加灵敏。