Ce掺杂ZnO纳米棒的水热法制备及其性能表征

2010年2月

吉林师范大学学报(自然科学版) .1第1期Journal of Jilin Normal University (Natural Science Edition)Feb.2010

收稿日期:2010 01 01 基金项目:国家自然科学基金项目(60778040),江苏大学研究生创新计划项目(CX09B -01XZ)

第一作者简介:郎集会(1980 ),女,吉林省吉林市人,现为吉林师范大学物理学院讲师,博士研究生.研究方向:宽禁带半导体材料.*通讯作者:杨景海(1960 ),教授,博士,博士生导师.研究方向:半导体材料的制备、表征及光学性能研究.

Ce 掺杂ZnO 纳米棒的水热法制备及其性能表征

郎集会1,2,李 雪1,高 铭1,刘晓艳1,王 睿1,杨景海1*

(1.吉林师范大学物理学院,吉林四平136000;2.江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013)摘 要:采用水热法制备了稀土铈(Ce)掺杂的ZnO 纳米棒,并利用X 射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和光致发光谱(PL)对样品进行表征.结果表明:Ce 成功的掺入到ZnO 中,掺杂的ZnO 纳米棒有较好的结晶质量,直径约为8nm.另外,随着Ce 的掺入,紫外峰峰位发生红移,这是因为掺杂后带隙变窄,从而导致了紫外峰的红移.

关键词:Ce 掺杂ZnO;纳米棒;光致发光

中图分类号:O614 文献标识码:A 文章编号:1674 3873 (2010)01 0027 03

0 引言氧化锌(ZnO)作为一种宽禁带直接带隙(E g =3 37eV)半导体材料,在室温下有较大的激子束缚

能(60meV),可以实现室温下的激子发射,产生近紫

外的短波发光,并以其独特的光电性能得到广泛的应用[1 3].目前,掺杂是改变半导体物理性质的有效

手段,而将稀土离子掺杂到ZnO 材料中可以有效的

改善ZnO 材料的发光性能[4 6].这是因为:首先,稀土元素具有电子未完全充满的4f 壳层,这种特殊的壳层结构,使稀土元素具有不同于一般元素的磁、电、光的特性以及其它特殊性能.就三价稀土离子来说,因其有较多的能级和多个亚稳态,所以在近紫

外、可见和近红外光的波段内有许多的特征锐谱线,

作为发光材料的发光中心是一种比较好的选择,也

是紫外到可见光区可调谐激光材料和荧光材料的优

良激活离子.其次,大多数稀土离子的光学激活对基质要求的条件是相似的.因此,适当地选择稀土掺进

共同的基质材料系统中,能够解决传统的p n 结二极管在满足全色显示和发光工艺中难以集成的问题.基于上述原因,本文选择稀土元素Ce 作为掺杂元素,采用水热法制备掺杂稀土元素Ce 的ZnO,并对其结构、形貌和光学性能进行了研究.1 实验1.1 试剂与ZnO 纳米棒制备

所用试剂醋酸锌(Zn(C H 3COO)2 2H 2O),硝酸铈(Ce (NO 3)3.6H 2O),氢氧化钠(NaOH ),无水乙醇

(C H 3CH 2OH)均为分析纯.首先将醋酸锌和硝酸铈按

一定的配比溶于无水乙醇中,再将溶解氢氧化钠的

无水乙醇溶液倒入其中,混合搅拌10min 后倒入高压反应釜中,将密封好的高压反应釜放入反应炉中150 条件下反应24h 后取出.晾至室温后,将生成的沉淀用去离子水和无水乙醇反复离心清洗,置于反应炉中60 干燥即可.1.2 表征手段

采用日本理学D/max rA 转靶X 射线衍射仪对样品进行结构表征,测量角度范围为10 ~80 ,步长为0.02 ,滞留时间为0.1s;采用S 570型扫描电子显微镜(SE M)和JE M 2100HR 型透射电子显微镜(TE M)对样品的形貌进行表征;采用He Cd 激光器(325nm)作为激发光源在室温下测量样品的光致发光谱(PL).

2 结果与讨论2.1 Ce 掺杂ZnO 的X 射线衍射物相分析图1为制备的样品的XRD 谱图.与标准图谱对比,我们发现没有任何Ce 或其氧化物的杂质峰存在,ZnO 是唯一的产物,这说明Ce 掺入到ZnO 中.另外,XRD 谱图的衍射峰较强,这说明用水热法生长

的ZnO 具有较好的结晶质量.

2.2 Ce 掺杂ZnO 的形貌分析

图2为制备的ZnO 的形貌图.图2(a)为样品的SEM 谱图,图2(b)为样品的TEM 谱图.从SE M 谱图 27

图1 1%C e 掺杂ZnO 的XRD 谱图

中可以看出,所制备的样品为棒状结构,由于尺寸较

小所以团聚现象较严重.从TE M 谱图则可以明显的

看出,ZnO 为棒状结构,直径在8nm 左右.并且ZnO

纳米棒的衬度发生变化,这是由于Ce 的掺杂所引起

的.这一结论又一次验证了XRD 的结果分析

.

图2 1%Ce 掺杂ZnO 纳米棒的SEM 和TEM 谱图2.3 Ce 掺杂ZnO 的光致发光性能分析图3为制备的ZnO 纳米棒的PL 谱图.从图中我

们可以看到,有两个衍射峰出现,位于380nm 左右的紫外发射峰和450~650nm 之间的缺陷发射峰.通常来说,紫外发光归于带边激子的复合[7],而缺陷峰可能是氧空位、沉积过程中形成的自然缺陷、过剩的氧形成的氧填隙、或者与一种ZnO 2的配比结构等综合作用的结果[8,9].两个谱图中,紫外峰都很强,这说明样品具有很好的结晶质量[3].比较两个谱图,我们发现随着Ce 掺杂浓度的增加,紫外峰逐渐减弱,而缺陷锋逐渐增强.这是因为随着Ce 离子的引

入,氧空位等缺陷逐渐增多而引起的.另外,可以发

现紫外峰有微小的红移.随着Ce 4+离子的引入形成

了以Ce 离子电子态的杂质层,这个杂质层位于导带

的边缘,导致导电 下移 ,带隙变窄,从而导致紫外

峰红移[10]

.

(a)0%(b)1%

图3 Ce 掺杂的ZnO 纳米棒PL 图谱

3 结论

采用简单的水热法制备了稀土Ce 掺杂的ZnO

纳米棒.XRD 显示没有任何的杂质峰存在,ZnO 是唯

一的产物.SEM 和TEM 结果表明样品为均一的棒状

结构,直径为8nm 左右.PL 光谱表明,与纯的ZnO 相

比,随着Ce 的掺杂,紫外峰逐渐减弱,而缺陷锋逐渐

增强.这是因为随着Ce 离子的引入,氧空位等缺陷逐渐增多而引起的.而紫外峰的微小的红移是因为Ce 4+离子的引入形成了以Ce 离子电子态的杂质层,这个杂质层位于导带的边缘,导致导电 下移 ,带隙变窄,从而导致紫外峰红移.以上结果表明,稀土Ce 离子成功的掺入到ZnO 晶格中,有较好的结晶质量和发光性能.并且此方法制备的纳米棒的直径可以控制在10nm 以内,这为研究量子限域作用提供了很好的材料.

参 考 文 献

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