混合型位置Mg掺杂对ZnO晶体结构、电子结构和光学性质的影响

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材料设计概论Mg掺杂ZnO心得体会

材料设计概论Mg掺杂ZnO心得体会采用固相反应法把MgO掺杂到ZnO中来制备Zn1xMg，我的心得体会如下：
实验可以使用固相反应法将MgO粉体掺杂到高纯度的ZnO粉体中制ZnmxMg.O固溶体，讨论改变Mg的掺杂浓度、反应温度和烧结时间来研究对ZnO的结构和性能的影响。

氧化锌由于其独特的结构和性质，使其已经在各个领域得到广泛的应用，氧化锌中的杂质和缺陷对其性能有非常重要的影响，已引起更多研究者对其的关注。

但是金属掺杂氧化锌的制备仍然存在着许多有待解决的问题。

镁掺杂氧化锌薄膜质量不高，禁带宽度提高的不是很大，制备成本相对成本很高等。

所以到目前为止，要制备质量高，禁带宽度很宽的镁掺杂氧化锌还是比较困难的。

随着科学技术的高速发展和研究者的不断努力下，相信在不久的时间内，这一系列的问题将会得到解决，镁掺杂氧化锌的制备技术将会得到进一步的发展。

Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构及光学性能的影响的开题报告

Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构及光学性能的影响的
开题报告
题目：Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构及光学性能的影响
摘要：
ZnO纳米晶具有广泛的应用前景，特别是在光电领域中。

掺杂是改变ZnO晶体结构和光学性能的重要方法之一。

本文将研究Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构和光学性能的影响，并探讨其潜在的应用。

研究内容：
1. 合成Mn掺杂的ZnO纳米晶。

通过化学合成法制备Mn掺杂ZnO 纳米晶，调节合成条件以获得不同的晶体形态和尺寸。

2. 表征纳米晶的结构性质。

使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等分析工具对纳米晶的晶体结构、尺寸和形貌进行表征，研究Mn掺杂对ZnO纳米晶结构的影响。

3. 研究光学性能。

使用紫外可见分光光度计和荧光光谱仪等分析工具，研究Mn掺杂对ZnO纳米晶光学性能的影响，包括光吸收、荧光和发射方面的变化。

4. 探讨应用价值。

根据实验结果，探讨Mn掺杂ZnO纳米晶在光电领域中的应用价值，例如光电器件等。

意义和价值：
本研究探讨Mn掺杂对ZnO纳米晶结构和光学性能的影响，有助于深入理解掺杂ZnO纳米晶的机理，同时也为其在光电领域中的应用提供了实验基础和理论基础。

《ZnO纳米结构的掺杂调控及其异质结光电性能的研究》范文

《ZnO纳米结构的掺杂调控及其异质结光电性能的研究》篇一摘要：本文着重探讨了ZnO纳米结构的掺杂调控技术及其在异质结中展现的光电性能。

通过详细分析不同掺杂元素对ZnO纳米结构的影响，我们系统地研究了掺杂对材料结构、光学和电学性质的影响。

此外，我们还构建了ZnO基异质结，并对其光电性能进行了深入研究。

本文的研究结果为ZnO纳米结构在光电器件中的应用提供了理论依据和实验支持。

一、引言ZnO作为一种重要的宽禁带半导体材料，因其优异的物理和化学性质，在光电器件领域展现出巨大的应用潜力。

然而，ZnO 纳米结构的实际应用受限于其性能的调控。

通过掺杂可以有效地调整ZnO的物理和化学性质，进而提升其光电性能。

本研究的目的是探讨不同掺杂元素对ZnO纳米结构的影响及其在异质结中表现的光电性能。

二、ZnO纳米结构的掺杂调控1. 掺杂元素的选取本部分研究选取了常见的掺杂元素，如铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）等，分别对ZnO纳米结构进行掺杂，以观察其对材料性质的影响。

2. 掺杂方法及工艺采用分子束外延法、溶胶凝胶法等不同方法进行掺杂实验，并对不同方法的效果进行比较。

3. 掺杂对ZnO纳米结构的影响通过X射线衍射、扫描电子显微镜等手段，观察了不同掺杂元素对ZnO纳米结构的影响，包括晶格结构、形貌等。

三、异质结的构建与光电性能研究1. 异质结的构建将掺杂后的ZnO纳米结构与其他半导体材料（如Si、GaN等）结合，构建异质结。

2. 光电性能测试与分析通过光谱分析、光电流测试等手段，分析异质结的光电性能，包括光吸收、光发射、光电转换效率等。

四、结果与讨论1. 掺杂对ZnO纳米结构的影响实验结果表明，不同掺杂元素对ZnO纳米结构的晶格结构和形貌产生明显影响。

例如，Al掺杂可以增加ZnO的结晶度，而Ga和In的掺杂则能改变其能带结构。

2. 异质结的光电性能构建的异质结展现出优异的光电性能。

特别是当ZnO与其他宽带隙半导体结合时，其光吸收和光发射效率显著提高。

《ZnO纳米结构的掺杂调控及其异质结光电性能的研究》范文

《ZnO纳米结构的掺杂调控及其异质结光电性能的研究》篇一摘要：本论文重点探讨了ZnO纳米结构的掺杂调控及其与异质结的光电性能。

首先，介绍了ZnO纳米结构的制备方法及掺杂技术。

接着，详细研究了不同掺杂元素对ZnO纳米结构光电性能的影响，并进一步探讨了ZnO基异质结的制备及其光电性能。

本文的研究结果为ZnO纳米结构及其异质结在光电器件领域的应用提供了重要的理论依据和实验支持。

一、引言ZnO作为一种宽禁带半导体材料，具有优异的光电性能和化学稳定性，在光电器件、传感器、太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。

近年来，ZnO纳米结构的掺杂调控及其与异质结的光电性能研究成为了一个热门课题。

通过对ZnO纳米结构进行掺杂，可以改变其能带结构、电导率和光学性质，从而提高其光电性能。

而ZnO基异质结的制备和性能研究则有助于进一步提高光电器件的性能。

因此，本文重点研究了ZnO纳米结构的掺杂调控及其与异质结的光电性能。

二、ZnO纳米结构的制备及掺杂技术1. 制备方法ZnO纳米结构的制备方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法等。

其中，溶胶-凝胶法因其操作简便、成本低廉等优点被广泛应用于实验室研究。

2. 掺杂技术掺杂是改变ZnO纳米结构光电性能的重要手段。

常见的掺杂元素包括Al、Ga、In等。

掺杂过程中，通过控制掺杂浓度和掺杂方式，可以实现对ZnO纳米结构能带结构、电导率和光学性质的调控。

三、不同掺杂元素对ZnO纳米结构光电性能的影响1. Al掺杂ZnO纳米结构Al掺杂可以降低ZnO的电阻率，提高其导电性能。

此外，Al 掺杂还可以使ZnO的禁带宽度变大，提高其光学稳定性。

2. Ga掺杂ZnO纳米结构Ga掺杂可以显著提高ZnO的光吸收性能和光电导性能。

此外，Ga掺杂还可以改善ZnO的晶体质量，提高其发光性能。

3. In掺杂ZnO纳米结构In掺杂可以有效地提高ZnO的电子迁移率和发光效率。

同时，In掺杂还可以使ZnO的禁带宽度变窄，提高其在可见光区域的响应性能。

Mg掺杂ZnO电子结构与压电性能的第一性原理研究

Mg掺杂ZnO电子结构与压电性能的第一性原理研究
张涛;刘仡锟;顾马龙;杨龙海;席悦
【期刊名称】《压电与声光》
【年(卷),期】2024(46)2
【摘要】采用第一性原理计算方法研究了掺杂不同Mg(r(Mg),摩尔比)的ZnO材
料的电子结构与压电性能。

研究发现,随着r(Mg)的增加,ZnO晶格常数c与a的比值(c/a)减小,材料禁带宽度增大。

当r(Mg)=0.3时,其带隙达到最大值(为1.493 eV)。

态密度与差分电荷密度计算结果表明,其带隙增大的原因是导带中Zn-3d态向高能端移动。

Mg的引入有助于提升ZnO材料的压电性能,其压电系数从本征的
1.30272 C/m^(2)提升至1.35588 C/m^(2),压电系数的提高可能来源于四方因子
c/a数值减小引起的结构畸变。

【总页数】5页(P197-201)
【作者】张涛;刘仡锟;顾马龙;杨龙海;席悦
【作者单位】西安科技大学材料科学与工程学院;西安科技大学理学院;西安科技大
学电气与控制工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN384;TN65
【相关文献】
1.Au-N共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究
2.F掺杂、N掺杂和
F+N共掺杂NaNbO3的电子结构和光催化性能的第一性原理研究3.Cu掺杂ZnO
电子结构和光学性质的第一性原理研究4.N与Mn掺杂ZnO电子结构及其光学性质的第一性原理研究5.Mg/Cd共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理研究
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《ZnO纳米结构的掺杂调控及其异质结光电性能的研究》范文

《ZnO纳米结构的掺杂调控及其异质结光电性能的研究》篇一摘要：本文针对ZnO纳米结构的掺杂调控及其异质结光电性能进行了深入研究。

首先，介绍了ZnO纳米材料的基本性质和掺杂技术；其次，详细阐述了不同掺杂元素对ZnO纳米结构性能的影响；最后，探讨了ZnO基异质结的构建及其在光电领域的应用。

通过实验和理论分析，为ZnO纳米材料在光电器件中的实际应用提供了理论依据和实验支持。

一、引言ZnO作为一种重要的宽禁带半导体材料，因其优异的物理和化学性质，在光电器件领域具有广泛的应用前景。

通过掺杂调控可以改变ZnO纳米结构的电学和光学性能，进一步拓展其应用范围。

本文旨在研究ZnO纳米结构的掺杂调控及其与异质结结合的光电性能，为ZnO基光电器件的研发提供理论支持和实验依据。

二、ZnO纳米材料的基本性质与掺杂技术ZnO具有较高的激子束缚能，良好的热稳定性和化学稳定性，使其在紫外光探测器、LED、太阳能电池等领域具有潜在的应用价值。

掺杂技术是调控ZnO纳米结构性能的重要手段，通过引入杂质原子，可以改变ZnO的电学和光学性质。

常见的掺杂元素包括铝（Al）、氮（N）等。

三、不同掺杂元素对ZnO纳米结构性能的影响1. 铝掺杂ZnO（AZO）：Al元素的引入可以有效地提高ZnO 的导电性能，降低电阻率。

此外，Al掺杂还可以提高ZnO的光学带隙，增强其抗辐射性能。

2. 氮掺杂ZnO（NZO）：N元素的引入可以在ZnO中形成受主能级，有效提高其P型导电性能。

NZO在蓝光LED、透明导电膜等领域具有潜在的应用价值。

四、ZnO基异质结的构建及其光电性能异质结是由两种不同材料的界面组成的结构，具有优异的电学和光学性能。

本文研究了ZnO与其他半导体材料（如Si、GaN 等）构成的异质结。

通过控制异质结的界面结构和能带排列，可以实现光生载流子的有效分离和传输，提高光电转换效率。

五、实验与结果分析1. 样品制备：采用溶胶-凝胶法、化学气相沉积等方法制备了不同掺杂元素的ZnO纳米结构及异质结样品。

镁掺杂对氧化锌晶体尺寸和红外性能的影响

ＺｎＭｇ，Ｏ足种新犁ＩＩ． Ⅵ 族宽禁带一，Ｃ化合物半甘仆材料，ｌ上１ｆ镁及其氧化物的无毒无害镁ｊ锌仃卡 ¨
近的离，、，镁掺入ＺｎＯ的品格常数会发，Ｉｉ人的变化，避免ｒ火配应力大而产牛高密度缺陷对器件性能的破坏作川。同ｆｔ，ｊ－￣＜同浓度镁掺杂的ＺｎＯ禁带宽度可以洲，从而人人增强其实用性能。掺杂ＺｎＯ的制备方法有燃烧反应法嘲、均匀沉淀法和１溶胶一凝睃法等。这些方法制备过程复杂不易控制，条件要求较高，且所需设备昂贵。日｝ｉｉ『对ｊ：镁掺杂ｚｎ０捌箭ＺｎＭｇ，Ｏ薄膜的研究较多，固孝｝ｊ反法制备镁掺杂ＺｎＯ粉体的报道很少。采用固相反心法制备同Ｚｎ．１￣Ｉｇｔ０样品，详细研究镁掺杂量、退火温度刈样ｔ晶粒、Ｊ ‘ ＩＩ３，ｈｉ及收性能的影响。ｌ
最佳掺杂茸为ｘ＝０．０２。
１实验方法
按 ‘ 定比例称取ＭｇＯ（分析纯，９９．９６％１ＺｎＯ（分忻
纯，９９．９６％）原料，粉料研磨６ｈ，然后放入ＫＳＷ箱式电ｊ【 Ⅱ ｌｆ，】烧结，烧结结束后，样品随炉冷却。采用Ｙ一２０００型ｘ射线衍射仪（ＸＲＤ）衷样结构，｝１椭速度为０．０３（。）／ｓ，扣描角度３０～８０。。红外光用ＴＥＮ— ＳＯＲ２７傅叶．外光谱仪测定，样品ＨｊＫＢｒＪＫＨ ‘ ，

mg、h掺杂zno的第一原理研究

mg、h掺杂zno的第一原理研究近年来，材料学研究者已经注意到ZnO，一种新型二维纳米复合材料，具有优异的性能，并且潜在用途极其广泛。

在过去的几十年里，研究者们一直在利用不同元素来扩展ZnO的化学空间，以扩展其物理和光学性能。

目前，Mg、H掺杂的ZnO材料研究一直受到关注，它们的电子结构和物理性质可能会因掺杂而大大受到影响。

Mg、H掺杂ZnO可以用第一原理方法研究以获得更准确的性能数据。

第一原理是一种使用计算机模拟物理成分的科学方法，可以从原子计算物质的性质，从而反映出其在实验条件下的行为。

第一原理方法可以用来对Mg、H掺杂ZnO进行精细模拟，以获得更为准确的结果。

首先，需要通过构建不同的Mg、H掺杂ZnO的模型来进行计算模拟。

在构建模型时，需要考虑ZnO基体的结构特征、掺杂元素Mg、H 的数量和分布、以及掺杂程度。

其次，在构建模型后，需要使用不同的计算方法来进行分子动力学模拟，以获取Mg、H掺杂ZnO的晶体结构、电子性质和光学性质等结果。

最后，可以根据计算结果以及比较实验结果，从而提取不同掺杂条件下Mg、H掺杂ZnO的结构特征、电子性质和光学性质，定量预测其在实验条件下的行为。

这有助于阐明Mg、H掺杂对ZnO能带、局域密度状态、杂质激发状态等性质的影响，为改进ZnO的性能提供参考。

Mg、H掺杂的ZnO材料的研究已经引起了学术界的极大关注，但是其结构模型、电子性质和光学性质的研究仍然存在不足之处。

第一原理计算可以是一种有效的模拟方法，可以帮助研究者从不同的掺杂条件下获得更为准确的性质数据，以期望构建一种更高效的ZnO基体材料。

未来的研究方向将在探索更多的掺杂条件下，构建更优化的ZnO模型，以期设计出更高性能的Mg、H掺杂的ZnO材料。

总之，研究Mg、H掺杂的ZnO材料的整个过程是一个复杂的问题，这种复杂性可以通过第一原理计算来缓解。

通过使用第一原理计算方法，可以准确地计算出掺杂因子对材料性质的影响，从而为构建更高效的ZnO材料提供理论支撑。

Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的结构及光学性质研究的开题报告

Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的结构及光学性质研究的开
题报告
本课题主要研究Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的结构及光学性质。

针对这一研究方向，本文通过以下几个方面进行探讨：
1. 研究背景及意义
ZnO是一种重要的半导体材料，具有宽带隙、可见光透过性好、化学稳定性高等优点，因此被广泛应用于透明导电膜、光电器件等领域。

Na-Mg共掺杂ZnO是近年来的研究热点，其可以提高ZnO的导电性能和光学性质，具有重要的理论和应用价值。

因此，对Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的结构及光学性质进行研究，对拓展其在材料学、能源学等领域的应用具有重要的意义。

2. 研究内容
本研究计划通过化学沉积法制备Na-Mg共掺杂ZnO薄膜，利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）等手段对其结构进行表征。

同时，利用紫外-可见分光光度计（UV-vis）对其光学性质进行分析。

主要研究内容包括：
1) Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的制备与表征；
2) 系统分析Na-Mg共掺杂对ZnO晶体性质的影响；
3) 研究不同Na-Mg共掺杂比例对ZnO光学性质的影响。

3. 研究意义
本研究将探讨Na-Mg共掺杂ZnO薄膜的结构和光学性质，为进一步拓展其在材料学、能源学等领域的应用提供重要的理论基础。

同时，本研究对于发展新型掺杂材料也具有一定的参考作用，有利于推动材料科学领域的发展。

Mg掺杂ZnO薄膜的结构和光学性质

文章编号:1000-2375(2006)04-0371-04Mg 掺杂Z nO 薄膜的结构和光学性质章天金,黄卫华,张柏顺(湖北大学材料科学与工程学院,湖北武汉430062)摘　要:采用磁控溅射方法在硅和石英衬底上制备了纯ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜.用XRD 和AF M 表征薄膜的晶化行为和显微结构,用透射谱和光致发光谱分析薄膜的光学性质.分析结果显示:两种薄膜均为六角纤锌矿结构,且沿c 轴取向,薄膜表面光滑致密,晶粒分布均匀;薄膜在可见光范围内具有较高的透过率,Mg 掺杂后透射谱吸收边向高能侧移动,相应的薄膜的带隙宽度从3.28eV 升至3.36eV ;用包络法计算出薄膜的光学常数表明,Mg 掺杂没有明显改变薄膜的折射率,但使消光系数明显增大;薄膜的光致发光谱分析也发现,掺入Mg 使带边发射峰蓝移.关键词:ZnO 薄膜;Mg 掺杂;光学常数;带隙中图分类号:T N304 文献标志码:A收稿日期:2006-03-28基金项目:武汉市晨光计划(20015005032)资助课题作者简介:章天金(1965-　),男,博士,教授1　引言氧化锌(ZnO )是一种重要的宽带隙半导体材料,室温下带隙宽度约为3.2eV ,具有纤锌矿结构,属六方晶系.ZnO 化学稳定性好、材料来源丰富、价格低廉,通过掺杂具有很好的光电性能,是光电器件极具潜力的材料.例如:掺Li 的ZnO 具有铁电性[1],可以开发为铁电器件;掺Al 、In 的ZnO 薄膜导电性好,透过率高,可以用于平板显示器和太阳能电池的透明电极[2];掺Li 、Mg 具有很好的光电性质,现已广泛用于光电开关[3]等光电器件.目前Mg x Zn 1-x O 薄膜作为一种新兴的光电材料,引起了人们的浓厚兴趣,通过改变Mg 的含量可使禁带宽度从3.2～7.8eV 连续可调,从而可以制得覆盖从蓝光到紫外广谱区域的半导体激光器,带隙连续可调性可以用来作为ZnO/Mg x Zn 1-x O 半导体量子阱及超晶格等结构的势垒层.因此,对Mg 掺杂ZnO 薄膜的制备和性质研究是一项很有意义的课题.本文用磁控溅射方法,制备出纯的和4m ol %Mg 掺杂的ZnO 薄膜,研究微量Mg 掺杂对ZnO 薄膜的微结构及光学性质的影响.2　实验采用J PG-560Ⅱ型射频磁控溅射系统,室温下分别在单晶硅和石英衬底上沉积ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜.射频频率为13.56MH z ,射频功率为140W.溅射所用的靶材,采用高纯度ZnO 和MgO 粉料经标准陶瓷工艺烧结而成.溅射前反应室本底真空度为1×10-5Pa ,靶基距固定为5cm ,溅射气氛选择Ar ∶O 2为2∶1的混合气体,工作气压为2.73Pa.溅射后的薄膜置于石英管式炉中,在O 2气氛条件下300℃退火2h.利用X -射线衍射(D/M AX -ⅢC ,CuKα线,λ=1.54178!)研究了薄膜的晶相结构.用原子力显微镜(DI N -ⅢA )研究了薄膜的表面形貌.用双光束紫外可见分光光度计(UV -1601)在190～1200nm 波长范围内测量了薄膜的透射谱,并对透射谱采用包络法计算出薄膜的相关光学常数.用荧光光度计(Shimadzu ,RF -450)测量了薄膜的光致发光谱,激发波长为300nm.3　结果与讨论图1为Si 衬底上纯ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜的X -射线衍射(XRD )图谱.由图可知,薄膜均只出现第28卷第4期2006年12月湖北大学学报(自然科学版)Journal of Hubei University (Natural Science )　V ol.28　N o.4　Dec.,2006图1　XRD 谱Mg 0.04Zn 0.96O 和纯ZnO 图2　纯ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜AF M 图图3　纯ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜的透射谱图4　纯ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜的折射率n 和消光系数k 的色散关系2θ为34.42°附近的(002)晶面特征衍射峰,表明薄膜为六角纤锌矿结构且具有良好的c 轴取向.和纯ZnO 薄膜相比,掺Mg 后的薄膜衍射峰位没有明显变化,表明Mg离子进入晶格取代Zn 格点的位置.同时可以看出Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜(002)衍射峰增强,表明掺Mg 使薄膜的晶化得到改善.另外掺入Mg 后ZnO 的衍射峰半高宽从0.25°增大到0.47°.根据薄膜的XRD 数据,用Scherrer 公式:D =0.89λβcosθ计算出薄膜的晶粒尺寸,其中λ=1.54178!,β为除去仪器致宽之后的衍射峰半高宽,θ为衍射角.计算结果显示,晶粒尺寸由纯ZnO 的32.2nm减小到Mg 掺杂的17.5nm.文献[4]报道,同样的温度下,Zn 2+的蒸汽压比Mg 2+的大,相比之下,Mg 2+被衬底吸附后不易解吸,从而成为形核的核心.因此,MgZnO 能通过Mg 离子在衬底上同时凝结出大量的足够小的均匀的新相核心,从而生长的晶粒比纯ZnO 晶粒要小.Mg 掺杂的G aN 薄膜晶粒细化也有类似的报道[5].图2为沉积在硅衬底上纯ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜的原子力(AFM )二维显微图片,图片尺寸均为2μm ×2μm.由图可以看出,两种薄膜表面结构致密,晶粒均匀,显示出薄膜有非常好的微结构,平均晶粒尺寸约为20～30nm.且Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜晶粒明显小于纯的ZnO 薄膜.这与由XRD 的计算结果是一致的.但是,掺Mg 后薄膜的表面粗糙度略有增加,由纯ZnO 薄膜的8.781nm 升到Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜的9.431nm.文献[6]报道,ZnO 薄膜是二维生长后三维生长机理,且由于薄膜是具有择优取向的多晶,薄膜柱状晶表面呈现为三角形.Y.Z.Y oo 等[7]也报道ZnO 薄膜的表面显示出由许多的小晶粒堆积而成的六角岛状结构.在本实验中由于掺Mg 后薄膜晶粒尺寸减小,众多小晶粒容易堆积成岛状结构,因此表面粗糙度有所增加.图3为沉积在石英衬底上、且经过300℃退火后的纯ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜的光学透射谱.图中曲线的波动是空气/薄膜界面、薄膜/衬底界面反射光之间干涉的结果.波动曲线光滑、规则且波峰波谷明显,说明薄膜表面光滑且厚度均匀.纯ZnO 薄膜的波动曲线比Mg 掺杂的ZnO 薄膜密集,这是由于两个薄膜之间厚度不同所致.另外由图可以看出:薄膜在可见区有大于80%的透过率,入射波长小于400nm 后,透过率急剧下降,形成陡峭的吸收边,且吸收边随着Mg 的掺入向高能侧移动.根据透射谱中各波峰和波谷所对应的波长,用包络法[8]计算薄膜在各个不同波长下的光学常数,包括折射率n 和消光系数k .图4为纯ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜折射率和消光系数的色散曲线.可以看出,折射率满足Canchy law :n =A +B λ2[9],折射率随入射波长的增加而减小.而消光系数则随入射波长的增加而增加.对于某一固定波长,Mg 的掺入使薄膜的折射率变化很小,而消光系数则明显增大.薄膜的消光系数主要取决于光在薄膜中的吸收和散射所带来的损失.一般光在薄膜中的吸收是很小的,光的273湖北大学学报(自然科学版)第28卷损失主要源于散射.由于掺Mg 后薄膜晶粒细化,薄膜单位体积晶界增多,由晶界带来的界面散射损失增强,从而导致消光系数增加.由透射谱还可以得出薄膜的禁带宽度.结果显示,掺入Mg 后,薄膜的禁带宽度由3.28eV 升至3.36eV.这是由于MgO 的禁带宽度(7.7eV [4])高于ZnO 的缘故.由此可以通过控制MgO 的掺入量调节ZnO 薄膜的禁带宽度,制备出符合光电器件设计要求的优质薄膜.当然由于MgO 为立方结构,与ZnO 不能完全固溶,T.Minem oto [10]等发现,Mg 含量增加到46m ol %时,ZnO 转为立方相,因此,在此范围内调节MgO 掺入量可以使ZnO 薄膜仍然具有六方纤锌矿结构.图5　室温下ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜的光致发光谱光致发光谱能够反应薄膜的光学性质、薄膜禁带宽度的变化以及薄膜的缺陷情况等,是研究材料性质的一项重要分析手段.图5显示了在室温下测试的两种薄膜的光致发光谱.由图可以看出,纯ZnO 和Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜均出现了两个受激发射峰.其中波长约为362nm 处的峰对应于ZnO 薄膜的近带边发射.由Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜与纯ZnO 薄膜的近带边发射峰相比较可知,Mg 的掺入使ZnO 薄膜的近带边发射峰蓝移了,表明掺入Mg 增加了ZnO 薄膜的禁带宽度.这与透射谱得出的结果相吻合.此外我们还可以看到,掺入Mg 后,近带边发射峰的强度增加,半高宽变窄.通常近带边发射峰强度越强,说明薄膜结晶质量越好,由此进一步说明Mg 的掺入有助于改善薄膜的晶化.波长为406nm 的峰对应于薄膜中出现的缺陷或杂质能级所引入的发射峰.Sun [11]计算了ZnO 薄膜中的缺陷能级,对应能级图可以知道,406nm 的发射峰为电子从导带底到锌空位(V Zn )的能级之间跃迁的结果(对应能量3.06eV ).4　结论利用磁控溅射方法在Si 和石英衬底上制备了纯的和4m ol %Mg 掺杂的ZnO 薄膜,并讨论了Mg 掺杂对ZnO 薄膜的结构和光学性质的影响.XRD 结果表明薄膜均具有c 轴择优取向,且掺Mg 后薄膜晶化得到改善.透射谱显示Mg 的掺入使吸收边向高能端移动.且由于Mg 的掺入,薄膜晶粒细化,晶界散射损失增大,消光系数增加.室温下,光致发光谱中紫外发光峰随Mg 的掺入蓝移,且峰的强度增强,半高宽减小,表明Mg 的掺入改善了ZnO 薄膜的结晶质量.由此,我们制备的Mg 0.04Zn 0.96O 薄膜禁带宽度高于纯ZnO 薄膜,同时具有较好的结晶质量,适合于制作MgZnO 薄膜光电器件.在本实验的基础上,我们将对不同Mg 掺杂的ZnO 薄膜做进一步的研究,以制备出用于光电器件的更为优质的薄膜.参考文献:[1]Wang X S ,Wu Z C ,Webb J F ,et al.Ferroelectric and dielectric properties of Li -doped ZnO thin films prepared by pulsed laser de 2position[J ].Appl Phys A ,2003,77:561-565.[2]K amalasanan M N ,Chandra S.S ol -gel synthesis of ZnO thin films[J ].Thin s olid films ,1996,288:112-115.[3]Nagata T ,Shimura T ,Ashida A ,et al.E lectrol -optic properties of ZnO :X (X =Li ,Mg )thin films[J ].J Cryst G rowth ,2002,237-239:533-537.[4]邱东江,吴惠桢,陈奶波,等.硅(111)衬底上生长的Mg x Zn 1-x O 立方晶体薄膜[J ].无机材料学报,2003,18(6):1385-1388.[5]童杏林,郑启光,胡少六,等.脉冲激光双光束沉积掺Mg 的G aN 薄膜的研究[J ].中国激光,2004,31(3):332-336.[6]邹璐,汪雷,黄靖云,等.硅衬底上ZnMgO 薄膜的结构和光学性质[J ].物理学报,2003,52(4):935-938.[7]Y oo Y Z ,Sekiguchi T ,Chiky ow T.V defects of ZnO thin films grown on S i as an ultraviolet optical path[J ].Appl Phy Let ,2004,84(4):502-504.[8]Manifacier J C ,G asiot J ,Fillard J P.A simple method for the determination of the optical constants n ,h and the thickness of a weaklyabs orbing thin film[J ].J Phys E ,1976,9:1002-1004.[9]M oustagh fir A ,T omasella E ,Am or S B ,et al.S tructrural and optical studies of ZnO thin films deposited by rf magnetron sputtering :373第4期章天金等:Mg 掺杂ZnO 薄膜的结构和光学性质473湖北大学学报(自然科学版)第28卷in fluence of annealing[J].Surf and coat T echnol,2003,174-175:193-196.[10]Minem oto T,Negami T,Nishiwaki S,et al.Preparation of Zn1-x Mg x O films by radio frequency magnetron sputtering[J].Thin s olidfilms,2000,372:173-176.[11]Wang J Z,Du G T,Zhang Y T,et al.Luminescence properties of ZnO films annealed in growth ambient and oxygen[J].J CrystG rowth,2004,263:269-272.Microstructure,optical properties of Mg-doped Z nO thin filmsZH ANG T ian2jin,H UANG Wei2hua,ZH ANG Bai2shun(School of Materials Science and Engineering,Hubei University,Wuhan430062,China)Abstract:The pure and4m ol%Mg-doped ZnO thin films were prepared on p-Si(100)and fused quartz substrates by r.f.magnetron sputtering at room tem perature.Both the doped and undoped films exhibited hexag onal structure and showed a strong(002)orientation.The optical constants,such as refractive index(n)and extinction coefficient(k),were obtained from the transmittance spectra using envelope method.The results revealed that the re2 fractive index(n)had no obvious defference as Mg doping,however the extinction coefficient(k)increased.The band gap Eg was als o obtained from the transmittance spectra.It can be observed that the Eg incresed as Mg doping. The photoluminescence(P L)studies showed that the peak related to the near band emission shifted to the high en2 ergy,which agreed with the result of the transmittance spectra.K ey w ords:ZnO thin film;Mg doped;optical constant;band gap(责任编辑　晏建章)(上接第370页)Ferroelectric and dielectric properties of Bi3.15Nd0.85Ti3O12ceramicsXI AO X in,QI Y a2jun,LU Chao2jing(School of Materials Science and Engineering,Hubei University,Wuhan430062,China)Abstract:Dense Bi3.15Nd0.85T i3O12(BNdT)ceramics of a layered perovskite structure were sintered at1100℃by s olid state reaction.The ceramics consist of plate-shaped grains.The BNdT ceramics exhibit saturated ferroelec2 tric hysteresis loops with a remanent polarization(2P r)of45μC/cm2and a coercive field of67.6kV/cm.The di2 electric constant and dissipation factor of the ceramics at100kH z are221and0.0064,respectively.A broad dielec2 tric peak was observed around408℃,and it might come from the oxygen-vacancy-related dielectric relaxation. The leakage current density of the ceramics is less than7.5×10-7A/cm2under an applied field below230kV/cm. The BNdT ceramics show Schottky emission behavior under low electric field below75kV/cm.K ey w ords:BNdT;ceramics;ferroelectric;dielectric(责任编辑　晏建章)。

Mg含量对N掺杂MgZnO薄膜的光电性能和N掺杂行为的影响

Mg含量对N掺杂MgZnO薄膜的光电性能和N掺杂行为的影响高丽丽;徐莹;张淼;姚斌【摘要】利用射频磁控溅射技术,在相同流量的氮气、氩气混合气体条件下,在石英基片上溅射获得了不同Mg含量的N掺杂MgxZn1-xO薄膜,并研究了Mg含量对N的掺杂行为和薄膜光电性能的影响.结果显示,在N掺杂MgxZn1-xO薄膜中,随着Mg含量的增加,薄膜的电阻率增加,载流子浓度下降;X射线电子能谱中位于395 eV左右的N1s峰强逐渐减弱、甚至消失;Raman光谱中与受主NO相关的位于272 cm-1、642 cm-1左右的振动峰也随之减弱、消失.得到的结果表明:在N和O的化学势相同的条件下,薄膜中Mg含量对N的掺杂行为有一定的影响,随着Mg 含量的增加,受主NO的掺杂浓度降低,N的掺杂状态发生变化;N掺杂Mgr Zn1-xO薄膜中Mg含量低时,存在NO与(N2)O两种状态;Mg含量高时,薄膜中只存在(N2)O一种形式.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2014(022)005【总页数】6页(P1198-1203)【关键词】MgZnO薄膜;N掺杂;掺杂浓度;光电性能【作者】高丽丽;徐莹;张淼;姚斌【作者单位】北华大学物理学院,吉林吉林132013;吉林大学物理学院,吉林长春130012;吉林大学物理学院,吉林长春130012;北华大学物理学院,吉林吉林132013;吉林大学物理学院,吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】O4721 引言ZnO作为第三代半导体材料，室温下禁带宽度为3.37 eV，有望制成蓝光、蓝紫光等短波长发光器件［1－6］。

而纤锌矿结构的 Mg x Zn1－x O 因具有与ZnO相似的结构和光学特性，被看作是ZnO基发光二极管（LED）的合适垒层材料而被广泛研究［7－11］。

目前，n型 MgZnO合金薄膜的制备质量已经能够达到光电子器件的要求，p型MgZnO的制备却进展缓慢，甚至进入了瓶颈阶段。

Mg 2+掺杂对ZnO薄膜结构和光学性能的影响

文章编号：ｌ７ —９２（０７０ — ００ — ０６３６０２０）３０１３
Ｍｇ＋杂对ＺＯ薄膜结构和光学性能的影响２掺ｎ
王秀琴，袁宁一，范利宁，李金华
（苏工业学院功能材料实验室，江苏常州２３６）江１１４
ｃｅｓｆｔｅｖｌｅｏ２ｔａｔｃｏｔｎｔｅｒａｅｎｈｅｌｔｉｅｃｎｓａｓａｉｒａｅｒａｅｏｈａｕｆ０ｈｅｌｔｉｅｃｎｓａｓＣｄｃｅｓｄａｄｔａｔｃｏｔｎｔｎｃｅｓｄ，ｂｈｅｃｌｕｔｔｅｌｖｏｕｅｈａｄｙｃａｅｌｍｒｌｈｎｇｄ．Ａｓｈｖｌｅｆ０ａｂｅｗｅｎ．ａ０ｔｅａｕｏ２ｗｓｔｅ０３ｎｄ．７，ｐｈｓｓｐａａｉｎａｅｅｒｔｏｗａｓｒｄ．ｓｏｂｅｖｅ
ｓｕｂｓｒｔｓｂｙｔｅｓｌｇｅｅｈ．Ｔｈｅｉｆｕｅｅｏｇｔａｅｈｏ－ｌｍｔｏｄｎｌｎｃｆＭ抖ｄｐａｓｏｎｔｅｍｉｒｓｒｃｕｅａｐｔｃｌｐｏｐｏｎｔｈｃｏｔｕｔｒｎｄｏｉａｒ —
ＡｂｔａｔＺｎｘｄｈｎｆｌｏｅｉｇｓｒｃ：ｉｃｏｉｅｔｉｉｍｓｄｐｄｗｔＭ抖ｈ
（ｇＺｎ－Ｏ）ｗｅｅｐｅａｅｎ（０）ｓｌｏｎｌｓＭ１ｘｒｒｐｒｄｏ１０ｉｃｎａｄｇａｓｉ

掺杂剂对氧化锌纳米组装体系形貌及性能的影响

掺杂剂对氧化锌纳米组装体系形貌及性能的影响摘要：ZnO是3.37eV的直接带宽，激子结合能60meV，导电性，低毒透视n 型半导体材料，广泛应用于光伏器件、压电器件、抗菌剂、光催化剂等电子器件等领域，但是它独特的结构缺陷--自补偿现象--限制了它在许多光电设备中的使用。

电荷补偿现象的发生是由小晶体结构的局部缺陷和变形引起的。

将ZnO从n 型半导体转化为p型半导体的最有效方法之一是混合其他离子。

阳离子通常用作电子俘获物，从而降低电子/空穴的连接速度。

混合各种离子可以改变ZnO的晶体结构和形态，进一步改变和改善物理化学性质。

近年来，研究了多种离子掺杂ZnO，包括铜、锂、铝、银、铟，发现添加各种离子会使ZnO的组织和性能发生巨大变化。

这可以更好地理解ZnO的结构缺陷，这些缺陷对其他类似材料具有重要意义。

关键词：掺杂剂；对氧化锌；纳米材料；组装体系；引言氧化锌(ZnO)是N型多功能半导体材料，由于资源丰富、价格低廉、无毒、电导率高、稳定性好，因此被广泛研究为重要的气体敏感材料。

ZnO气体传感器的检测机制是:ZnO传感器暴露在空气中后，氧气分子吸附在材料表面，抓住导带中的自由电子，形成吸附的氧离子，增加阻力。

另外，当ZnO传感器与还原性气体接触时，还原性气体会与吸附的氧离子发生氧化还原反应，释放自由电子，从而降低电阻。

将还原性气体的灵敏度定义为Ra/Rg。

其中Rg是测试气体的传感器电阻，Ra是空气中的传感器电阻。

因此，较大的比表面积、良好的气体扩散方式和电子传输能力有助于提高传感器的检测灵敏度。

1纳米自组装机理纳米自组装是纳米分子的一个新概念，它被长度在1到100纳米之间的表面体所包围。

纳米系统的自组装过程中，分子是通过氢、van der waals力、静电等非物质力被组装到复杂的层次结构中的。

自组装的一个主要特点是，装配过程开始时，分子等结构单元会自动排列成有序的形式。

即使是复杂的功能系统也不需要外力，而且自下而上的设计允许制造具有新光学、机械和电气特性的材料和设备。

金属离子掺杂对ZnO晶体生长和性能的影响的开题报告

金属离子掺杂对ZnO晶体生长和性能的影响的开题报告一、研究背景ZnO晶体具有广泛的应用前景，在光电器件、传感器、太阳能电池等领域中发挥着重要作用。

而掺杂金属离子是改变ZnO晶体性质的一种有效方法，可以调控ZnO晶体的能带结构和光学、电学等性质，从而提高其相关器件的性能。

目前已有许多研究关于掺杂金属离子对ZnO晶体生长和性能的影响，其中以铜、镍、锰、铁、铬等元素的掺杂较为常见。

但不同掺杂离子的掺杂浓度、掺杂方式、掺杂后晶体性能的变化等仍有待进一步探究。

因此，本研究将探究不同金属离子掺杂对ZnO晶体生长和性能的影响，旨在为ZnO晶体的掺杂改性提供新的理论和实验依据，进一步优化其应用性能。

二、研究内容1. 研究不同金属离子掺杂对ZnO晶体生长的影响。

选取铜、镍、锰、铁、铬等元素进行掺杂，采用溶胶-凝胶法或水热法等合成ZnO晶体，探究不同掺杂离子对晶体生长速率、晶体形貌等生长过程中的影响。

2. 研究不同金属离子掺杂对ZnO晶体结构的影响。

采用X射线粉末衍射技术分析掺杂后ZnO晶体的晶格常数、晶格结构、畸变程度等结构参数的变化。

3. 研究不同金属离子掺杂对ZnO晶体光学性能的影响。

利用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱对不同金属离子掺杂后的ZnO晶体进行光学性能分析，研究掺杂对其能带结构和光物理性质的影响。

4. 研究不同金属离子掺杂对ZnO晶体电学性能的影响。

采用霍尔效应仪等电学测试手段，研究掺杂对ZnO晶体的导电机理、载流子浓度等电学性能的影响。

三、研究意义本研究将探究不同金属离子掺杂对ZnO晶体生长和性能的影响，对于优化ZnO晶体的应用性能、提高其在光电器件、传感器、太阳能电池等领域中的应用价值具有重要意义。

同时，本研究还将为ZnO晶体的掺杂改性提供新的理论和实验依据，为其他相关材料的掺杂改性研究提供借鉴和参考。

Mg_2_掺杂对ZnO薄膜结构和光学性能的影响

第19卷第3期2007年9月江苏工业学院学报JOU RNAL OF JIANGSU POLYT EC HN IC U NIV ERSITYVol 19N o 3Sep 2007文章编号:1673-9620(2007)03-0001-03M g2+掺杂对ZnO薄膜结构和光学性能的影响王秀琴,袁宁一,范利宁,李金华(江苏工业学院功能材料实验室,江苏常州213164)摘要:利用溶胶-凝胶法在(100)S i片和玻璃衬底上制备出M g2+掺杂的ZnO(M gxZn1-x O)薄膜,研究了M g2+掺杂对ZnO薄膜结构和光学性能的影响。

XRD图谱表明,当x<0 30时,M gxZn1-x O薄膜为纤锌矿结构,随着x值的增加,晶格常数c逐渐减小,a逐渐增大,但晶胞体积V几乎不变;当0 3 x<0 7时出现相分离;当x 0 7时,M gxZn1-x O薄膜为M gO的立方相结构。

紫外可见光透射光谱表明,M g2+掺杂增大ZnO薄膜的禁带宽度,同时也提高可见光的透过率。

关键词:M g x Zn1-x O薄膜;溶胶-凝胶法;禁带宽度;透过率中图分类号:T B43;O484 4 文献标识码:AInfluence of Mg2+Doping on Structure andOptical Property of ZnO FilmsWANG Xiu-qin,YUAN Ning-yi,FAN Li-ning,LI Jin-hua (Laboratory of Functional Materials,Jiangsu Polytechnic University,Chang zhou213164,China)Abstract:Zinc ox ide thin films doped w ith Mg2+(M g x Zn1-x O)were prepared on(100)silicon and g lass substrates by the sol-gel method.The influence of Mg2+dopants on the m icrostructure and optical property of M g x Zn1-x O thin films w ere investig ated in detail.The XRD results indicated that w hen the value of x was sm aller than0 3the M g x Zn1-x O thin films retained the wurtzite structure of ZnO.With the increase of the v alue of x the lattice constants c decreased and the lattice constants a increased,but the cell volume hardly changed.As the value of x w as betw een0 3and0 7,phase separation was observed.When the value of x w as larger than0 7,the crystalline structure of Mg x Zn1-x O thin films changed to the cubic structure of M gO. T he transm ittance m easurement results show ed that M g2+doping in ZnO thin films enlarged the band gap and the transmittance in the v isible region.Key words:Mg x Zn1-x O thin films;sol-gel method;band gap;transmittanceZnO是一种 - 族氧化物半导体,具有优异的光学和电学特性,特别是沿c轴生长的ZnO 薄膜,室温禁带宽度约为3 37eV,是典型的直接带隙宽带半导体[1]。

《ZnO纳米结构的掺杂调控及其异质结光电性能的研究》

《ZnO纳米结构的掺杂调控及其异质结光电性能的研究》篇一摘要：本文针对ZnO纳米结构的掺杂调控及其与异质结结合后的光电性能进行了深入研究。

首先介绍了ZnO纳米结构的基本特性和掺杂技术的原理，随后详细描述了实验过程及结果，并通过对比实验探讨了不同掺杂浓度和类型对ZnO纳米结构光电性能的影响。

最后，本文还研究了ZnO基异质结的制备及其光电性能的优化。

一、引言ZnO作为一种重要的宽禁带半导体材料，因其优异的物理和化学性质，在光电子器件领域具有广泛的应用前景。

然而，纯ZnO的电子性能和光学性能还有待进一步提升。

通过掺杂其他元素，可以有效调控ZnO的电学和光学性质，同时与异质结的结合也能显著提升其光电性能。

因此，研究ZnO纳米结构的掺杂调控及其与异质结的光电性能具有重要的科学意义和应用价值。

二、ZnO纳米结构的基本特性及掺杂原理ZnO具有较高的激子束缚能、大的电子迁移率和优异的光学透明性，是制备光电器件的理想材料。

掺杂是改善ZnO性能的有效手段，通过引入杂质元素改变其载流子浓度和类型，从而优化其电学和光学性质。

常见的掺杂元素包括铝、氮等。

掺杂过程中，杂质原子会替代Zn原子或间隙式地存在于ZnO晶格中，进而影响其电子结构和能带结构。

三、实验过程及结果1. 样品制备：采用溶胶-凝胶法或化学气相沉积法合成ZnO 纳米结构，通过控制反应条件实现不同掺杂浓度的ZnO样品的制备。

2. 结构表征：利用X射线衍射、扫描电子显微镜等手段对合成得到的ZnO纳米结构进行结构表征，验证其晶格结构和形貌。

3. 光电性能测试：通过紫外-可见光谱、光致发光谱等测试手段，研究不同掺杂浓度和类型对ZnO纳米结构光电性能的影响。

4. 结果分析：实验结果显示，适当浓度的掺杂可以显著提高ZnO的光吸收能力和发光效率，而过高或过低的掺杂浓度则可能对光电性能产生不利影响。

四、ZnO基异质结的制备及其光电性能的优化1. 异质结制备：将不同掺杂浓度的ZnO与Si、GaN等材料制备成异质结结构。

Mg掺杂ZnO纳米材料的结构及光学特性研究

Mg掺杂ZnO纳米材料的结构及光学特性研究刘晓艳;杨丽丽;高铭;冯博;曹健;李雪;杨景海【摘要】采用低温热分解法制备Zn1-xMgxO(x=0,0.03)纳米材料,利用X射线衍射(XRD)、光致发光(PL)和拉曼光谱分析研究了Mg的掺杂对样品的结构和光学特性的影响.另外,还利用能量弥散X射线能谱仪(EDX)对样品的元素含量进行了表征.结果表明,Zn0.97Mg0.03O具有和ZnO一样的衍射谱,为六方纤锌矿结构.但是,随着Mg的掺入,样品Zn0.97Mg0.03O的结晶有序性遭到一定程度的破坏,结晶质量下降.XRD和EDX结果证明了Mg成功掺入ZnO晶格中,形成了替位式掺杂.在拉曼光谱中,位于434 cm-1处的E2(H)模式的出现表明样品为六角纤锌矿结构的ZnO.室温光致发光谱出现很强的紫外近带发射峰,没有观察到深能级发射,且随着Mg的掺入,紫外发射峰发生蓝移.【期刊名称】《吉林师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(031)004【总页数】3页(P23-25)【关键词】热分解法;Mg掺杂ZnO纳米材料;光学特性【作者】刘晓艳;杨丽丽;高铭;冯博;曹健;李雪;杨景海【作者单位】吉林师范大学物理学院,吉林,四平,136000;功能材料物理与化学教育部重点实验室(吉林师范大学),吉林,四平,136000;吉林师范大学物理学院,吉林,四平,136000;功能材料物理与化学教育部重点实验室(吉林师范大学),吉林,四平,136000;吉林师范大学物理学院,吉林,四平,136000;功能材料物理与化学教育部重点实验室(吉林师范大学),吉林,四平,136000;吉林师范大学物理学院,吉林,四平,136000;功能材料物理与化学教育部重点实验室(吉林师范大学),吉林,四平,136000;吉林师范大学物理学院,吉林,四平,136000;功能材料物理与化学教育部重点实验室(吉林师范大学),吉林,四平,136000;吉林师范大学物理学院,吉林,四平,136000;功能材料物理与化学教育部重点实验室(吉林师范大学),吉林,四平,136000;吉林师范大学物理学院,吉林,四平,136000;功能材料物理与化学教育部重点实验室(吉林师范大学),吉林,四平,136000【正文语种】中文【中图分类】O472.3近年来,蓝绿激光器成为半导体激光器研究中的一个热点.在该领域研究中,提高ZnO的紫外透过率和增大ZnO的带隙是改善激光器短波长激光输出的一个途径.MgO有很大的能隙宽度（7.7 eV）[1],在紫外区有较大的透过率,通过Mg的掺杂可以实现该目的.Mg2+（0.057 nm）离子和Zn2+（0.060 nm）离子半径相接近,其掺入后晶格常数的变化仅在1%左右[2],这就意味着Mg2+离子在一定范围内取代ZnO中Zn2+离子格位形成ZnMgO合金,可以具有比ZnO更大的禁带宽度[3].所以,不少研究小组对Mg掺杂的ZnO进行了制备及其物性的探索.Zn1-xMgxO的制备方法很多,有喷雾热解法[4]、金属有机化学气相沉积法[5]、磁控溅射法[6]、脉冲激光沉积[7]、分子束外延[8]等方法.但是,这些方法多数都需要复杂的处理过程、昂贵的设备、高温生长等条件.本文将提供一种低温热分解法来实现Zn1-xMgxO的制备,其具有均匀性好、设备简单、易于原子级掺杂、低成本、可大规模生产等优点,并利用XRD、EDX、Raman、PL对制得样品的结构和光学特性进行了详细的分析.实验所用药品:乙酸锌（Zn（Ac）2·2H2O）、乙酸镁（Mg（Ac）2·4H2O）,溶剂为二甘醇（diethylene glycol,DEG）,所有药品均为分析纯.首先,将乙酸锌和乙酸镁溶于二甘醇中,溶液中总的金属离子浓度为0.5 mol/L,Mg2+的浓度分别为（a）0 mol/L和（b）0.015 mol/L.溶液在90℃左右恒温磁力搅拌器下搅拌3～4 h,观察搅拌过程中溶液由浑浊→澄清→浑浊,出现少许沉淀.停止搅拌后将溶液放入离心机,1 000转/分下离心10分钟.离心后溶液明显分层,上层为澄清溶液,下层为白色沉淀物,将上层溶液倒出后放入干燥箱120℃干燥,干燥后研磨得到 ZnO及Zn1-xMgxO粉体.用X射线衍射分析仪（XRD,MAC Science,MXP18,Japan）、能量弥散 X射线能谱仪（EDX）、光致发光（PL,He-Cd Laser,325 nm）和拉曼光谱（Raman,514.5 nm,argon ion laser,Invia）分析所制得样品的结构和光学特性.图1给出了纯ZnO和Zn0.97Mg0.03O的X射线衍射谱图.可以看出所有样品的衍射峰对应着具有六角特征的纤锌矿ZnO晶体结构,没有出现与MgO立方相有关的衍射峰（峰位在43°）及其他杂质峰,这意味着Mg2+以杂质形式出现在ZnO的晶格中,占据着ZnO的Zn位或间隙位.随着Mg的掺入,Zn0.97Mg0.03O的X射线衍射谱线中所有衍射峰与纯ZnO相比都向大角度方向移动,这是由于Mg2+的半径（0.057 nm）小于Zn2+的半径（0.060 nm）而引起的,说明Mg在ZnO中形成了替位式掺杂,Mg取代Zn后引起阴阳离子间距变小所致.图1中的插图为（002）衍射峰的放大对比图,可以观测到峰位由34.35°移动到34.43°.从图中还可以看到,与纯ZnO相比,Zn0.97Mg0.03O的衍射峰宽化且峰强减小,这说明随着Mg的掺入,样品结晶的有序性遭到一定程度的破坏,结晶质量下降.图2为Zn0.97Mg0.03O的能量弥散X射线能谱图,由图可知所得样品中含有Zn、O、Mg元素,说明Mg成功掺入ZnO晶格中,证明了XRD所得结果.拉曼光谱对于纳米尺寸材料的微结构是很敏感的.图3为样品的室温拉曼光谱图.图中可以清晰看到位于326和434 cm-1的散射峰,位于326 cm-1的散射峰对应着E2H-E2L振动模式,为二级拉曼,是由边界声子产生的.中心位置位于434 cm-1附近的峰为ZnO的高频振动模式 E2（H）,E2（H）属于拉曼活性,它代表着纤锌矿相的能带特征[9-10],E2（H）的出现表明样品为纤锌矿结构的ZnO.与此同时,通过研究发现此模式与 ZnO的结晶程度有关,高频振动模式 E2（H）的峰强度越强、半高宽越小表明晶体的结晶度越好.比较图3中的两个谱图,可以发现Zn0.97Mg0.03O结晶化不好,进一步证明了XRD所得结果.图4给出了室温下纯ZnO和Zn0.97Mg0.03O的光致发光（PL）光谱比较图.如图所示,光致发光谱中所有的样品都只观测到紫外部分的发光峰,无深能级发射,表明此制备方法所得样品缺陷少.纯 ZnO在383 nm的紫光处呈现出一个较强的特征峰[11],而Zn0.97Mg0.03O的较强紫光峰出现在380 nm附近,相比之下,可发现Zn0.97Mg0.03O的紫光峰值蓝移了约3 nm.由于所制备的两个样品颗粒尺寸相近,且远大于ZnO体材料的激子波尔半径（1.8 nm）,所以此蓝移不是由量子限域效应所致.分析得出,Mg掺入ZnO晶格是蓝移的主要原因.理论和实验研究都证明,ZnO的紫光峰是由载流子在禁带边间跃迁引起的[12],载流子跃迁所产生的光子能量可由公式ΔE=hc/λ进行计算.纯ZnO晶体的紫光发光峰位在383 nm附近,利用上式可计算出对应该发光峰的跃迁能量差ΔE1约为3.244 eV.而制备的Zn0.97Mg0.03O样品PL光谱的紫光峰却出现在380 nm处,可计算出该样品对应的跃迁能量差ΔE2约为3.270 eV,该值略大于ZnO的禁带边能带宽度ΔE1,说明少量的 Mg掺杂改变了Zn0.97Mg0.03O样品的禁带宽度,同时,这也间接证明了合成的样品是与ZnO不同的Zn0.97Mg0.03O.该方法可用于纳米ZnO材料禁带宽度的调制.采用低温热分解法,以乙酸锌（Zn（Ac）2·2H2O）和乙酸镁（Mg（Ac）2·4H2O）为原料,成功制备出了Mg掺杂ZnO纳米材料.XRD和Raman结果表明,随着Mg的掺入,样品结晶的有序性遭到一定程度的破坏,结晶质量下降.EDX再次证明了Mg 成功掺入ZnO的晶格中,掺入Mg的含量约为3%.PL分析结果表明,少量的Mg掺杂改变了Zn0.97Mg0.03O样品的禁带宽度.【相关文献】[1]BAG NALL D.M,CHEN Y F,SHEN YM,et a1.Room temperature excitonic stimulated emission from zinc oxide epilayer grown by plasma-assisted MBE[J].CrystGrowth,l998,184:605～609.[2]OHTOMO A,K AWASAKI M,et al.Structure and optical properties of ZnO/MgxZn1-xO superlattices[J].Appl Phys.Lett.,1999,75:980～982.[3]ZHANGDEHENG,ZHANG XIJIAN,WANG QINGPU,et al.Luminescence charactenstic of MgZnO films and multiquantum wells and superlattices[J].Chin J.Lumin.（发光学报）,2004,25（2）:111～116.[4]T omoaki Terasako,Sho Shirakata,Tetsuya Kariya.Photoluminescence from highlyoriented MgxZn1-xOfilms grown by chemical spraypyrolysis[J].Thin Solid 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混合型位置 Mg 掺杂对 ZnO晶体结构、电子结构和光学性质的影响

混合型位置 Mg 掺杂对 ZnO晶体结构、电子结构和光学性质的影响胡永红;黄勇【摘要】通过第一性原理计算,研究了混合型位置 Mg 掺杂对 ZnO 晶体结构、电子结构和光学性质的影响。

缺陷形成能计算结果表明：混合型位置 Mg 掺杂 ZnO 是可能存在的。

掺杂后晶格参数和晶胞体积都增大,但相对变化率不超过3%,即掺杂未导致相变。

随着 Mg 浓度的增大,MgZnO 的带隙呈现先减小后增大的趋势。

对光学性质计算发现,MgZnO 的吸收谱中有2个峰。

结合态密度图,分析了这些峰对应的能级之间的跃迁。

随着 Mg浓度的增大,第一吸收峰的强度变化较显著。

%Based on the first principle calculations,the structural,electronic and optical properties of ZnO doped by Mg atoms in mix positions are studied.The calculation result about the defective formation energy indicates that the ZnO doped by Mg atoms in both substitutional and interstitial positions is possible.The lattice parameters and the volume of supercell of ZnO both increase after Mg doping,and these increases are all below 3%,indicating no phase trans-formation.The band gap of MgZnO first decreases and then increases with the increase of Mg content.Through optical calculations,the absorption spectrum is found to have two peaks.The corresponding transitions between different energy levels are studied with the calculation results of the density of states.The strength of the first absorption peak changes significantly with the increase of the Mg content.【期刊名称】《金陵科技学院学报》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P40-44)【关键词】ZnO;第一性原理计算;电子结构;光学性质;Mg 掺杂【作者】胡永红;黄勇【作者单位】湖北科技学院核技术与化学生物学院，湖北咸宁 437100;金陵科技学院公共基础课部，江苏南京 211169【正文语种】中文【中图分类】O481.1ZnO是一种直接宽带隙(3.37 eV)的半导体光电材料[1]。