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激光烧蚀CVD生长氧化锌基纳米结构及光学性质研究

作　者: 张鹏
导　师: 曹丙强
学　校: 济南大学
专　业: 光学
关键词: 激光烧蚀 氧化锌 纳米棒 纳米壁 光学性质
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 7次
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内容摘要


ZnO半导体材料具有特殊的物理和化学特性，而受到广大从事纳米材料研究工作者的重视。同时，随着理论和仪器制造工艺的不断完善，基于激光技术的气相生长方法在制备半导体纳米材料领域得到了进一步发展。本文利用激光烧蚀化学气相沉积法和脉冲激光沉积法，探索了实验参数对不同ZnO纳米结构生长的影响，研究不同维度的ZnO纳米结构的生长机理和光致发光性质。具体研究内容和结果如下：1.研究了ZnO纳米棒的激光烧蚀化学气相沉积生长过程，发现催化剂厚度和温度是影响ZnO纳米棒生长的重要因素。当催化剂厚度为2nm、温度为925℃时，在硅衬底上生长出了直径均匀的氧化锌纳米棒，并且有明显的（002）择优生长取向。因为衬底和金膜之间具有动态润湿性，使得温度升高后，连续金膜会分裂为许多孤立的颗粒，颗粒的大小进而影响ZnO纳米棒的直径。ZnO纳米棒的生长可用VLS与VS相结合的生长模型描述。同时，镁掺入使得ZnxMg1-xO非极性面生长速率增加，导致了Zn1-xMgxO由纳米棒变为纳米带，增大了其能隙，并在其禁带中引入了相关缺陷能级。2.通过脉冲激光沉积法在不同衬底上生长了ZnO薄膜，获得了表面平整、结晶质量良好的ZnO缓冲层的生长条件。在蓝宝石衬底生长ZnO薄膜时，发现通过仅让靶材旋转生长出了较为新颖的ZnO纳米桥结构；利用原位两步生长法，得到了表面较为均匀、起伏较低的ZnO薄膜。在p-Si和FTO玻璃衬底上生长ZnO薄膜时，发现压强是影响薄膜表面粗糙度的重要因素，生长温度和频率对ZnO粒子在衬底表面的迁移能力有着重大影响，因而决定薄膜表面晶粒大小的均匀性。3.利用激光烧蚀化学气相沉积技术在无催化剂辅助的蓝宝石衬底上，生长出了大面积、高质量的ZnO和ZnMgO纳米壁网状结构。系统研究了压强、温度、靶距等生长参数对氧化锌镁纳米棒/壁形貌和结构的影响。通过改变压强、靶距等生长参数实现了Zn1-xMgxO纳米结构维度的可控调节。由于需要较高的生长压强，在LACVD生长ZnMgO纳米壁网状结构的靶材中Mg组份向产物中的转移率小于传统低压PLD中生长的ZnMgO薄膜。

全文目录


摘要  8-9
Abstract  9-11
第一章 绪论  11-23
  1.1 ZnO 的基本性质  11-13
  1.2 几种常见的 ZnO 基纳米结构  13-16
    1.2.1 一维 ZnO 基纳米线  13-14
    1.2.2 二维 ZnO 基薄膜  14
    1.2.3 三维 ZnO 基纳米壁网状结构  14-16
  1.3 ZnO 的制备方法和基本特点  16-20
    1.3.1 水热法  16
    1.3.2 溶胶凝胶法  16-17
    1.3.3 电化学沉积法  17
    1.3.4 化学气相沉积法  17-18
    1.3.5 脉冲激光沉积法  18
    1.3.6 激光烧蚀化学气相沉积法  18-20
    1.3.7 激光液相烧蚀法  20
  1.4 论文的选题依据和主要研究内容  20-23
第二章 实验部分  23-31
  2.1 实验原料与仪器设备  23-24
  2.2 材料制备  24-27
    2.2.1 激光烧蚀化学气相沉积（LACVD）系统  24-26
    2.2.2 脉冲激光沉积（PLD）系统  26-27
    2.2.3 ZnO 和 ZnMgO 纳米材料的制备  27
  2.3 表征方法  27-31
    2.3.1 场发射扫描电子显微镜（FESEM）  27
    2.3.2 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）  27-28
    2.3.3 X 射线衍射（XRD）  28-29
    2.3.4 光致发光谱（PL）  29
    2.3.5 拉曼光谱（Raman）  29-31
第三章 Zn(Mg)O 纳米棒的激光烧蚀 CVD 生长及荧光性能  31-41
  3.1 引言  31-32
  3.2 实验  32-33
    3.2.1 靶材制备和衬底清洗  32-33
    3.2.2 ZnO 和 Zn_(1-x)Mg_xO 纳米棒的制备  33
    3.2.3 材料表征  33
  3.3 结果与讨论  33-39
    3.3.1 温度和催化剂厚度对 ZnO 纳米棒生长的影响  33-35
    3.3.2 ZnO 纳米棒的生长机理分析  35-37
    3.3.3 Mg 掺杂对 Zn_(1-x)Mg_xO 形貌和光致发光性能的影响  37-39
  3.4 结论  39-41
第四章 脉冲激光沉积法生长 ZnO 薄膜缓冲层  41-55
  4.1 引言  41
  4.2 实验  41-44
    4.2.1 靶材制备和衬底清洗  41-42
    4.2.2 ZnO 薄膜缓冲层的制备  42-43
    4.2.3 材料表征  43-44
  4.3 结果与讨论  44-54
    4.3.1 生长气氛和压强对 ZnO 薄膜的影响  44-48
    4.3.2 不同温度和激光频率下 ZnO 薄膜的形貌演化  48-51
    4.3.3 ZnO 薄膜的晶体结构和荧光性质  51-54
  4.4 结论  54-55
第五章 利用激光烧蚀 CVD 法生长三维 Zn(Mg)O 纳米壁网状结构  55-67
  5.1 引言  55-56
  5.2 实验  56-57
    5.2.1 靶材的制备和衬底的清洗  56
    5.2.2 ZnO 和 Zn_(1-x)Mg_xO 纳米壁网状结构的制备  56
    5.2.3 材料表征  56-57
  5.3 结果与讨论  57-65
    5.3.1 Zn_(0.98)Mg_(0.02)O 纳米壁网状结构的形貌演化规律  57-61
    5.3.2 Zn_(1-x)Mg_xO 纳米壁网状结构的晶体结构和光致发光  61-65
  5.4 结论  65-67
第六章 结论  67-69
参考文献  69-79
致谢  79-80
附录  80

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