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水滑石前体法制备Fe掺杂ZnO纳米材料及其发光性能研究

作 者: 章定恒
导 师: 王连英
学 校: 北京化工大学
专 业: 化学工程与技术
关键词: ZnO纳米结构 Fe掺杂 水滑石 薄膜
分类号: TB383.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要


氧化锌(ZnO)是一种重要直接宽带隙的半导体材料,在生物、化学、气敏传感器、场发射、纳米激光器、太阳能电池等光电器件方面有广阔的应用前景。掺杂是非常重要的半导体改性技术,通过掺入杂质元素可以改变或提高ZnO光学、磁学和电学等方面性能。目前,关于掺杂ZnO纳米材料的制备及其性能研究主要集中在Al、Ga、In、N、Mn和Co等元素,而Fe元素掺杂而报道较少。本文首次以锌铁水滑石(ZnFe-LDH)为单一前驱体制备Fe掺杂ZnO一维纳米材料及其取向纳米结构薄膜,并研究了其光致发光性能。具体研究结果如下:1.采用热蒸发法以ZnFe-LDH纳米粒子为前驱体,以硅片为基底,在较低的温度范围内沉积制得均匀Fe掺杂ZnO一维纳米材料;其中ZnO为六方纤锌矿结构单晶,掺杂元素Fe进入ZnO晶格,未观察到Fe杂质相。通过改变反应温度,实现了其纳米结构及Fe掺杂量的调控,分别在600℃、700℃、800℃条件下得到Fe的掺杂量为0.16%、0.30%和0.49%的ZnO纳米锥、纳米柱和纳米线。光致发光性能研究表明,所得Fe掺杂ZnO一维纳米材料具有独特的发光性能,其均在389nm处出现半峰宽较窄的紫外发射峰和在蓝绿光区451nm、468nm、477nm出现了结构化的发射峰。特殊地,在600℃条件下所得ZnO纳米锥在477nm处发射峰半峰宽窄且强度强,在700℃、800℃条件下所得产物在蓝绿光区的结构化的发射峰因氧空位影响其强度被增强。最后,我们揭示了该法制备均匀Fe掺杂ZnO一维纳米材料的生长机理为气固机理。2.采用成膜技术将ZnFe-LDH纳米粒子组装成致密有序的(00l)取向薄膜,以其为前驱体并同时作为基底,在管式气氛炉中焙烧,在较低温度(500℃)和低载气流速下原位生长(00l)取向Fe掺杂ZnO纳米棒薄膜,其中纳米棒沿(00l)晶面择优生长,直径可以在20nm-100nm,长度80nm-400nm范围内调控。薄膜在390nm处较强的紫外发射峰和在蓝绿光区468nm、477nm处出现较弱的结构化发射峰。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章 绪论  13-31
  1.1 引言  13
  1.2 ZnO材料的基本性质  13-15
  1.3 ZnO纳米材料制备方法的研究进展  15-23
    1.3.1 热蒸发法  16-20
    1.3.2 磁控溅射法  20-21
    1.3.3 脉冲激光沉积法  21
    1.3.4 分子束外延法  21-22
    1.3.5 液相法  22
    1.3.6 模板法  22-23
    1.3.7 熔融法  23
  1.4 ZnO基稀磁半导体的研究进展  23-25
    1.4.1 Mn掺杂ZnO纳米材料  23-24
    1.4.2 Co掺杂ZnO纳米材料  24-25
    1.4.3 Ni、Fe等其他元素掺杂ZnO纳米材料  25
  1.5 水滑石(LDHs)层状材料的简介  25-29
    1.5.1 水滑石(LDHs)层状材料的结构  26-27
    1.5.2 水滑石(LDHs)层状材料的性质  27-28
    1.5.3 水滑石(LDHs)层状材料的制备  28-29
    1.5.4 水滑石(LDHs)层状材料的应用  29
  1.6 本论文的研究内容  29-30
  1.7 本论文的创新点  30-31
第二章 Fe掺杂ZnO一维纳米材料的制备及其性能研究  31-57
  2.1 引言  31-32
  2.2 实验部分  32-37
    2.2.1 实验药品及仪器  32
    2.2.2 分析表征仪器  32-35
    2.2.3 样品制备  35-37
  2.3 结果与讨论  37-55
    2.3.1 水滑石前驱体组成及结构的表征  37-39
    2.3.2 Fe掺杂ZnO纳米材料的合成及其表征  39-49
    2.3.3 水滑石前体法制备Fe掺杂ZnO一维纳米材料生长机理的初探  49-51
    2.3.4 Fe掺杂ZnO纳米材料的光致发光性能  51-55
  2.4 小结  55-57
第三章 取向Fe掺杂ZnO纳米棒薄膜的制备及其性能研究  57-71
  3.1 引言  57-58
  3.2 实验部分  58-61
    3.2.1 实验药品及仪器  58
    3.2.2 分析表征仪器  58-59
    3.2.3 样品制备  59-61
  3.3 结果与讨论  61-70
    3.3.1 前驱体ZnFe-LDH纳米粒子及其取向薄膜的表征  61-62
    3.3.2 取向Fe掺杂ZnO纳米棒薄膜的表征  62-68
    3.3.3 取向Fe掺杂ZnO纳米棒薄膜的光致发光性能  68-70
  3.4 小结  70-71
第四章 结论  71-73
参考文献  73-79
致谢  79-80
研究成果及发表的学术论文  80-81
作者和导师简介  81-82
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  82-83

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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