cvd制备zno纳米棒及其光致发光特性研究

cvd制备zno纳米棒及其光致发光特性研究

0zno纳米棒和纳米晶须的制备序言中的氧化锌（zno）具有广阔的带宽（3.37ev）和高灵敏极限（i59mev），在电子材料和设备制造领域具有重要的应用价值。由于其良好的性能和1-二维方向上的几何结构，它被广泛应用于结构材料的合成中。近年来，人们对1-纳米氧化锌纳米的研究引起了人们的关注，并取得了许多成果。zno纳米结构的制备方法包括rcd法、aao模型法、水热法、热蒸发法和催化剂法辅助生长法。其中的rcd法由于其简单的装置、良好的重复性和易控制性而被广泛使用。本实验在没有使用催化剂的情况下采用新颖的“先氩气保护后氧气冲入”的办法,在同一次实验中不同位置的n-Si(111)衬底上制备了形貌不同的ZnO纳米棒和纳米晶须,对比研究了ZnO纳米线棒晶体结构和表面形貌特征.利用金属自催化的晶体生长理论,讨论了各种型貌ZnO纳米棒和衬底位置的关系及其生长控制方法.1实验方法和样品实验在图1所示的管式水平炉中完成.高纯Zn粉作为原料,置于水平管式炉中石英玻璃管(120cm×￠6cm)中.图中A、B、C为三块彼此相隔2cm的单晶硅片(1cm×1cm),A与锌源距离也是2cm.单晶硅片事先用去离子水漂洗,再用100℃的去离子水加热20min,然后在纯酒精中超声洗涤20min.自然风干使用.实验前,系统需要抽真空,待真空度达到10-5Torr时,以40cm3/min的气体流量向石英管内通入高纯氩气.当体系压力保持在一个大气压时,使炉子迅速升温至700℃.这时,给系统通入纯氧气(40cm3/min),同时切断氩气.系统温度继续升高至740℃时停止加热并保持10min.停止氧气输入同时把石英管放在室温下自然冷却.发现在三块基片上和原料上方都沉积了大量白色的物质.用带有能谱(EDS)分析仪的德国Leo1430VP型电子扫描电镜(SEM)及日本MACSCIENCE18KW转靶X射线衍射仪分析产物的形貌、结构及成份.用日本850荧光光谱仪测量样品的光致发光(PL)特性.2结果与讨论2.1纳米棒生长方向图2显示了样品的SEM照片,可以看出在同一实验条件下不同位置衬底上沉积的纳米棒具有明显不同的特征:从图2-1到图2-2再到图2-3:相应的衬底从A到B再到C依次观察表面形态:棒的直径从粗逐渐变细(130nm～100nm～50nm),而长度大致相同(约2μm);图2-1中的纳米棒生长方向是杂乱的;图2-2纳米棒一端粘在一块儿,呈辐射状,一个基点上长出几根到十几根纳米棒;图2-3是由大量从硅基片往外生长的稻秧状纳米棒构成,形貌均匀,生长的方向性比较好.图2-4是C基片上生长的蒲公英花状的纳米晶须,由大量呈放射状生长的纳米晶须所构成,纳米晶须的表面光滑,长约8μm,根部直径较粗,约70nm,梢部成针状.图3是样品的X射线(XRD)衍射图谱.其实验衍射数据与标准PDF卡做了比对,相互符合的很好.图中的各峰位表明产物是六方结构的ZnO晶体群(P63mc).由衍射的相对强度数据可知,除了(002)峰位择优取向明显,(102)、(103)等衍射峰也有一定的择优生长.2.2通过氧复位来缺陷晶圆,总总体发生石.当纳米棒与总氧锌原子的氧原位比,就总氧锌原子的氧信号比为图2-3中纳米棒的室温光致发光谱如图4所示.所采用的激发光波长为310nm,结果显示有一个510nm的绿光发射峰,而典型的紫外发射却没有出现.Vanheusden等认为纳米材料存在离子化的氧空位,而占据氧空位的电子与发光孔的辐射复合产生了绿光发射.由此我们推断所制备的纳米棒存在数量不少的氧空位,为了验证这一点我们对样品做了EDS分析如图5所示,表明样品中氧锌原子数量比为56.58∶43.42.存在氧空位,说明氧空位的存在有利于绿光发射.2.3纳米棒的生长过程根据Dang“金属自催化生长”(metalselfcataiyticgrowth;)机制[5～7],液态锌在纳米棒的生长过程中是至关重要的,具有催化剂和反应物的双重作用.本实验中加热金属锌后,气态的锌蒸汽被载气输运到衬底位置,在此过程中,气态锌原子由于飞跃温度梯度以及相互碰撞而损失能量,至使Zn在衬底凝结成金属液滴.当引入氧气后,其中有一部分氧就溶解到锌液体中(这是EDS图谱富含氧的原因),另一部分直接和锌发生反映生成ZnO,因为ZnO和液态Zn浸润性很差,加上氧化锌的熔点远高于锌,所以生成的纳米级的氧化锌晶核就可以漂浮到液态锌的表面,后继生成的氧化锌就按其固有的结晶习惯按能量最低的方向择优晶化,纳米棒就在锌液滴中慢慢长出.但是由于温度梯度(A基片740℃,B基片720℃,C基片700℃)的存在,在A、B、C衬底上形成的锌液滴具有不同的特点:A基片周围温度最高,则蒸发出来的原子在衬底上停留时间过短,没有充分的结构调整过程,状态不稳定.导致纳米棒生长的杂乱无章.B基片是最佳凝结位置,所以液滴尺寸比较大,但分布不够均匀.锌液滴大可以长出许多的晶核,从而在一个液滴上生长很多的纳米棒.正如图2-2所示.图5是B基片上纳米棒初期生长的SEM照片,从上面可以形象的看见金属自催化机制的初期生长过程:纳米棒在锌液滴上长出,也看出棒的粗细和锌滴的大小没有直接的关系,其主要的原因在于温度,也和能量、比表面积、气流类型及速度有关.碰撞次数少的气态锌由于温度梯度而在C基片上形成小而且均匀的锌液滴,可以生长出定向均匀的纳米棒,因此,可以通过改变基片位置从而改变锌液滴的大小和均匀度来控制纳米棒的生长方向和直径大小(本实验C基片离锌源距离为8cm).纳米晶须是在氧气十分充分的情况下在球形的液态锌表面形成致密的氧化锌晶核而形成的,它的根部明显的长粗应该和气态锌及氧气的冲入有密切的关系.管内充满气态锌原子,它们与氧气迅速化合,生成的氧化锌气态分子向纳米线直接沉积,即按VS方式生长,但其作用主要是促使纳米晶须棱面的生长,使其变粗,对线轴向的生长没有多