ITO纳米颗粒制备及光学性质的研究

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ITO(Indium Tin Oxide)是锡掺杂的氧化铟,是一种高简并、重掺杂的n型半导体氧化物,因其具有一系列优良的电学、光学以及化学等性能,所以广泛地应用于多种领域,显示出广阔的前景。而纳米ITO粉体除了具有纳米材料具备的性质外还具有其它如高比表面积耐磨性,导电性等性质,引起了人们的广泛关注,成为了热门的研究课题。近年来电子印刷技术的发展使ITO薄膜制备向湿法合成方向转变,采用纳米粉体沉积基板来制备透明导电氧化物薄膜的方法已经成为一种趋势,因此具备优质性能的ITO纳米材料需求量增加。纳米粉体的形貌、分散性、颗粒均匀度以及颗粒本身的光电性质直接影响制备纳米薄膜的性能。为制备出性能优良的ITO纳米粉体,研究纳米粉体制备的方法和工艺条件十分重要。本文使用共沉淀法合成不同参数的ITO纳米颗粒,以及对ITO颗粒进行退火处理,研究不同合成条件以及退火参数对于ITO颗粒性质的影响,为后续工作提供理论基础。本论文的研究内容主要包括以下部分:(1)研究合成条件对于ITO颗粒性质的影响。随着Sn掺杂浓度的增大,ITO的光学带隙先增大后减小,在Sn掺杂浓度为10%时达到最大值3.40 eV,大的掺杂浓度导致载流子浓度增大,激子辐射复合的概率增加,从而增强了发光强度。进一步的掺杂导致电子与电子、电子与电离杂质电荷间相互作用以及杂质带与导带的重叠,从而使带隙变窄。由于氧空位浓度随溶液pH值的增加而增加,在电离过程中,一个氧空位可以提供两个自由电子,载流子浓度的增大导致带隙增大。氧空位浓度增加时,发射光子数增加,从而使光致发光强度增大。(2)讨论了退火参数对于ITO颗粒性质的影响。随着退火温度的升高,XRD衍射峰变得尖锐,晶体质量提升,载流子浓度增大,光学带隙展宽到3.70 eV。Ar气氛下退火光学带隙值最大,PL发光峰最强,这是由于Ar中退火,使得材料的氧空位增多,载流子浓度增大,光学带隙展宽,且氧空位浓度增大,发射光子数增多,PL强度提高。与此相反,在O2中退火使得光学带隙变窄、PL强度降低。最后研究了H2退火对ITO结构及能带的影响,发现H2退火之后In-O键的振动峰减弱,ITO颗粒表面氧溢出并形成In-Sn合金所致,In-Sn合金使载流子浓度增大,带隙展宽且激子辐射复合的概率增加,从而增强了发光强度。
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