铟掺杂的氧化锌纳米带的制备和发光特性

　第37卷第2期 人　工　晶　体　学　报 Vol .37　No .2　2008年4月 JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS Ap ril,2008　

铟掺杂的氧化锌纳米带的制备和发光特性

卢会清,高　红,张　锷,张喜田

(哈尔滨师范大学物理系,哈尔滨150080)

摘要:以混合的Zn O 粉和金属I n 作为前驱物,通过化学气相沉积方法在Si 衬底上合成了I n 掺杂的Zn O 纳米带。利用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及附带的能谱仪对它们的结构和成分进行了表征。结果表明,Zn O 纳米带沿<101-0>方向生长;I n 的掺杂浓度是21%原子分数。讨论了Zn O 纳米带的形成机制和光致发光特性。关键词:Zn O 纳米带;掺杂;化学气相沉积

中图分类号:O484 文献标识码:A 文章编号:10002985X (2008)022*******Syn thesis and O pti ca l Properti es of I nd i u m 2doped Z i n c O x i de Nanobelts

LU Hui 2qing,G AO Hong,ZHAN G E,ZHAN G X i 2tian

(Depart m ent of Physics,Harbin Nor mal University,Harbin 150080,China )

(Received 10July 2007)

Abstract:I n 2doped ZnO nanobelts were synthesized on silicon substrates thr ough che m ical vapor depositi on method using a m ixture of ZnO powders and I n as p recurs or .The nanobelts were characterized by field 2e m issi on scanning electr on m icr oscopy,high 2res oluti on trans m issi on electr on m icr oscopy and energy dis X 2ray s pectr oscopy .

The results show that the nanobelts gr ow al ong the <101-0>directi on and content of I n in the nanobelts is 21at%.The for mati on mechanis m and phot olum inescence

of the nanobelts were discussed .

Key words:zinc oxide nanobelts;dop ing;che m ical vapor depositi on 收稿日期:2007207210

基金项目:国家自然科学基金(No .10374024,60776010);黑龙江省人事厅博士后启动基金;黑龙江省教育厅海外学人项目(1055HZ O22);

哈尔滨师范大学博士启动基金

作者简介:卢会清(19812),女,黑龙江省人,硕士研究生。

通讯作者:张喜田,教授。E 2mail:xtzhangzhang@hot m ail .com

1　引 言

ZnO 是直接带隙宽禁带半导体材料,室温下的带隙宽度为3.37e V,具有较高的激子束缚能(～60me V ),保证其室温下紫外激光发射。一维及准一维Zn O 纳米材料在纳米光电器件和传感器件中具有潜在的应用价值,所以近年来备受研究人员的关注,同时也取得了重要进展。人们探索了许多方法和技术合成一

维Zn O 纳米材料,如化学气相沉积法(CVD )[124],金属有机化学气相沉积法[5],激光沉积法[6]和溶胶2凝胶

法[7]等,其中CVD 是一种常见的合成方法。在CVD 方法中,合成样品的形貌和尺寸与前驱物的组成、反应温度、反应压强、载气流速、催化剂等实验参数密切相关。通过选择适当参数,各种不同形貌的一维ZnO 纳

　第2期

卢会清等:铟掺杂的氧化锌纳米带的制备和发光特性377　米结构被合成,如纳米线[8]、纳米带[9]、纳米环[10]等。在前驱物中加入异种元素,一方面可以改变ZnO 一维

纳米结构的形貌,另一方面也可能实现ZnO 半导体中有目的的掺杂,从而改变ZnO 的光电性能。因此,研究氧化锌掺杂问题是非常重要和有意义的。其中,在Zn O 中掺入适当的I n,ZnO 沿<0001>方向生长的习性就被改变,而变成沿<101-0>或<21-1-0>方向生长的纳米带[11,12]

,而且I n 掺杂的ZnO 具有高的电子传导

性,独特的热稳定性,化学稳定性,好的发光性质[13],所以引起了人们的广泛兴趣。

本文以Zn O 粉和金属I n 为前驱物,采用CVD 方法合成了掺I n 的ZnO 纳米带。我们对其结构、生长机理和光致发光等进行了研究。2　实 验

氧化锌纳米带的合成是用CVD 方法在高温管式炉中完成的。将ZnO 粉1.0

g 和I n 金属单质0.2g 混合后放在刚玉舟上置于高温炉内,使源处于最高温度处。以N 2作为载气,单晶Si

(111)片作为衬底,使衬底位于源的下游。加热,使高温炉以5～8℃/m in 的速度升温至1350℃,且在1350

℃停留1.5h,然后自然冷

却到室温,在此过程中始终保持高温炉内压强为100Pa,N 2流量为30scc m 。利用场发射扫描电子显微镜(SE M ,S 24800,H itachi )、透射电子显微镜(TE M ,TECNA I F30G 2)以及附带

的X 射线能谱仪(EDX )对合成的Zn O 纳米结构的形貌和晶体结构进行表征。以10mW He 2Cd 激光器的325nm 线为激发光源,采用背散射方式测量样品的室温光致发光。

3　结果与讨论

图1(a )是合成样品的SE M 图,可以看出纳米带产量高,尺寸均匀,长度达上百微米。从其放大图1(b )可以看出纳米带宽约900n m ,厚约50n m ,宽度与厚度比约18:1。纳米带的横截面为矩形,比表面积大,有利于制成纳米尺寸的传感器和光电元件[14,15]。

图1　Zn O 纳米带的SE M 图(a )和高放大倍率的SE M 图(b )

Fig .1　SE M i m age (a )and high magnificati on SE M i m age of the synthesized nanobelts (b )

为了研究Zn O 纳米带的微观结构,利用TE M 对样品做了分析。图2(a )是一个ZnO 纳米带的TE M 图。图2(b )是纳米带边缘处(取自图2a 中标记处)的高分辨TE M 图。由图2(b )可知,Zn O 纳米带具有六角纤锌矿结构,0.283n m 的面间距对应ZnO 的(1012

0)晶面,经计算对应ZnO 的晶格常数a 为0.327n m 。由于

Zn O 晶格常数a 的标准值为0.325n m ,说明由于I n 离子半径比Zn 大[16],I n 的掺杂使得晶格常数增加。图2

(b )同时也说明该Zn O 纳米带沿<101-0>方向生长,其上下表面分别是以Zn 2+结尾的(0001)极化面和以O 22结尾的(0001-)极化面,具有正负相反的极性,并沿厚度方向能产生自发极化,这种极性纳米带应当具有很好的压电效应,在微/纳米机电系统中有潜在的应用,同时还可以设计研制各种纳米传感器,执行器,以及共

振耦合器[17,18]。EDX (图2(c ))能谱表明纳米带成份是由I n 、Zn 和O 元素组成的,其中I n 、Zn 和O 的原子