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Si及ZnO纳米晶制备新方法及其发光性能的研究

作　者: 刘丽赟
导　师: 杜希文
学　校: 天津大学
专　业: 材料学
关键词: Si纳米晶 ZnO纳米晶 磁控溅射 光致发光
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


本论文分别采用了反应溅射法和热活性法两种途径制备Si纳米晶,对其光致发光性能、微观组织、相结构和表面价键进行了分析,并对纳米晶的发光机理进行研究。同时,利用反应溅射法制备ZnO纳米晶,对其晶粒生长模型,以及发光性能进行了研究。研究发现,利用SiO2靶与Al靶反应溅射的方法可以制备晶粒尺寸细小、发光性能良好的Si纳米晶。本实验采用的是高功率溅射,因此落到衬底上的Si、Al、O粒子具有很大的动能,促使Al和SiO2在常温下就可以进行如下氧化还原反应:4Al + 3SiO2→3Si + 2Al2O3。同时,还使得溅射过程中形成的Si聚集,并结晶、长大。实验结果表明,反应溅射得到了Al2O3壳包覆的Si纳米晶,并观察到纯的紫外发射,经分析是源于Si纳米晶的量子限制效应。其中,Al2O3壳不仅限制了Si纳米晶的晶粒尺寸,同时还防止纳米晶被氧化,为Si纳米晶提供了理想的钝化层。Al/SiO2界面是不稳定的,当对其加热到一定温度时,Al与SiO2将会发生氧化还原反应。本实验利用此特性,分别对Al/SiO2复合膜、SiO2/Al/SiO2三明治薄膜退火,得到了包埋于SiO2基体中的Si纳米晶。本系统通过控制薄膜中Al原子的空间分布,使Si纳米晶的空间分布得到很好地控制。同时,Al原子量对薄膜中的Si纳米晶的晶粒尺寸也起到了限制作用。当Al含量较少时,薄膜中形成的Si原子也较少,则形成晶粒尺寸细小的Si纳米晶。利用SiO2靶与Zn靶反应溅射的方法制备包埋于SiO2基体中的ZnO纳米晶。由于Zn原子的还原性远大于Si离子,溅射时Zn原子将会优先与O离子结合形成了ZnO分子,并最终形成ZnO纳米晶。同时,实验中还观察到强的紫外发射,及可见光发射,它们分别源于ZnO与SiO2界面态和纵向光学声子的复合。

全文目录


摘要  2-3
ABSTRACT  3-7
第一章 绪论  7-22
  1.1 引言  7-8
  1.2 硅基纳米发光材料的研究现状  8-15
    1.2.1 硅基纳米发光材料的研究意义  8
    1.2.2 硅量子点的制备方法  8-13
      1.2.2.1 多层膜退火法  8-9
      1.2.2.2 复合薄膜退火法  9
      1.2.2.3 单层量子点生长  9-10
      1.2.2.4 热活性法  10-12
      1.2.2.5 高功率溅射法  12-13
    1.2.3 硅量子点材料存在的问题  13-14
    1.2.4 硅量子点的发光机理  14-15
      1.2.4.1 量子限制（Quantum Confinement Effect, QCE）模型  14
      1.2.4.2 发光中心（Luminescent Center, LC）模型  14
      1.2.4.3 量子限制—发光中心（QC-LCs）模型  14-15
      1.2.4.4 表面态和界面态模型  15
  1.3 氧化锌纳米材料的发展现状  15-20
    1.3.1 氧化锌纳米材料的研究意义  15-16
    1.3.2 氧化锌纳米晶的制备方法  16-18
      1.3.2.1 脉冲激光沉积法  16-17
      1.3.2.2 溶胶－凝胶法  17-18
      1.3.2.3 有机金属化学气相沉积  18
      1.3.2.4 磁控溅射法  18
    1.3.3 氧化锌纳米晶的发光机制  18-20
  1.4 本课题的试验思路及创新之处  20-22
第二章 试验原料和试验装置  22-24
  2.1 试验原料  22
  2.2 试验装置与测试设备  22-24
    2.2.1 JGP450G 型三靶共溅射高真空磁控溅射设备  22
    2.2.2 GSL 1600X 真空管式高温炉  22-23
    2.2.3 光致发光性能测试（PL）  23
    2.2.4 微观结构分析（TEM）  23
    2.2.5 结晶相分析（XRD）  23
    2.2.6 表面价态分析（XPS）  23-24
第三章 Si 纳米晶的制备及其发光性能的研究  24-42
  3.1 利用反应溅射的方法制备Si 纳米晶  24-30
    3.1.1 样品的制备  24
    3.1.2 试验结果与讨论  24-30
      3.1.2.1 光致发光性能的分析  24-25
      3.1.2.2 表面化学键的分析  25-26
      3.1.2.3 微观结构的分析  26-28
      3.1.2.4 晶粒生长模型  28-29
      3.1.2.5 发光机理的分析  29-30
  3.2 利用热活性的方法制备Si 纳米晶  30-41
    3.2.1 Al/SiO_2 复合膜试验方案  31-34
      3.2.1.1 样品的制备  31
      3.2.1.2 试验结果与分析  31-34
    3.2.2 SiO_2/Al/SiO_2 三明治薄膜试验方案  34-41
      3.2.2.1 样品的制备  34-35
      3.2.2.2 试验结果与分析  35-41
  3.3 本章小结  41-42
第四章 反应溅射制备ZnO 纳米晶  42-51
  4.1 样品的制备  42
  4.2 试验结果与分析  42-49
    4.2.1 光致发光性能分析  42-43
    4.2.2 结晶相与微观结构的分析  43-47
    4.2.3 表面价键的分析  47-49
    4.2.4 晶体生长模型  49
    4.2.5 发光机理的研究  49
  4.3 本章小结  49-51
第五章 结论  51-52
参考文献  52-58
发表论文和参加科研情况说明  58-59
致谢  59

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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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