陈玖琳[1]2003年在《几种半导体发光材料最佳掺杂含量的理论研究》文中研究表明半导体发光材料和器件是六十年代发展起来的半导体技术中的一个分支，单一的纯净本征半导体的性能往往不能满足实际的需要，发光效率或发光几率低，发光强度弱，提高发光效率的有效途径就是进行材料的掺杂改性。实验上发现，对发光材料的掺杂必须有一定的范围。当掺杂含量较小时，随着掺杂含量的增加发光效率会得到提高；掺杂含量过高会引起发光的猝灭。确定最佳掺杂含量是各种电子功能材料科学研究当中最基本的内容之一。 长期以来，人们一直认为最佳掺杂含量问题十分复杂，很难用理论来计算最佳掺杂含量，所以没有用理论来计算最佳掺杂含量的研究报道。本论文的工作就是对最佳掺杂含量的理论研究。 本论文工作是在对电子薄膜材料掺杂的研究基础之上，主要是对几种有代表性的半导体发光材料的掺杂进行分析，从不同角度对最佳掺杂含量的理论进行探索，并应用理论公式对发光材料最佳掺杂含量进行理论计算，使理论计算出的最佳掺杂含量与实验数据相符合。 本论文工作的创新点在于：从半导体发光材料的晶体结构出发，建立起材料的物理性能、晶体结构中原子配位数、最佳掺杂含量和制备方法之间的关系，归纳出材料掺杂的最佳掺杂含量的理论表达式。应用该表达式，给出了各种不同的制备方法ZnS掺Mn、硅基掺铒、以及GaAs、GaP、GaN掺不同元素制出的发光材料，对最佳掺杂含量进行了理论上的计算，理论计算值与实验数据相符合。 本研究工作对研究发光材料的掺杂改性以及掺杂对材料性能影响的机理认识有着一定的理论意义和实用价值。
赵昀云[2]2016年在《稀土掺杂YAG荧光膜的制备与发光性能研究》文中认为YAG:Ce~(3+)荧光材料转换白光LED具有发光效率高、能耗低、寿命长和安全可靠等优点,是新一代全固态照明光源,在照明市场中占据不可代替的地位。但是,商业YAG:Ce~(3+)荧光粉体颗粒较大且形貌不规则分布不均匀,不可避免地产生背反射与背散射,导致能量转换效率下降;此外,荧光粉/环氧树脂层的差导热性会引起荧光材料温度猝灭,环氧树脂层受长时间的热辐射会泛黄或发生脱落,降低白光LED使用的稳定性与寿命。透明YAG:Ce~(3+)荧光膜有着更小与更均匀的颗粒尺寸、更强的附着力、更好的导热性、特别是有着较小的背反射与背散射效应,被认为是作为白光LED良好荧光转换层,受广泛研究者所关注。论文研究的出发点是制备可应用在白光LED上的高效发光性能的稀土掺杂YAG荧光膜,研究所取得结果如下:1.采用粉末靶材在石英基片上制备YAG:3.3%Ce~(3+)荧光膜,对溅射过程中的溅射功率、氧气含量与退火工艺对沉积速率及性能的影响进行系统研究。由于粉末靶原子的表面结合能低于传统高温烧结陶瓷靶,薄膜的沉积速率得到了提高,达1.2μm/h。在最佳工艺条件下溅射2h,沉积薄膜厚度达2.92μm,经在H2/Ar还原气氛1100℃烧结10 h,薄膜为纯相YAG膜,在450 nm激发下,发光量子产率达23%。2.采用具有高溶解能力的乙二醇作为溶胶的溶剂,实现了高浓度溶胶下制备YAG:3.3%Ce~(3+)荧光膜,涂膜40层,所制备YAG:Ce~(3+)荧光膜为80 nm颗粒紧密堆积而成,厚度达4.3μm。所制备YAG:Ce~(3+)荧光膜在可见光区域有着良好的透光性的同时,在蓝光区有着强吸收峰,发光量子产率达47%,可作为在白光LED的荧光转换层。3.以硝酸盐为原材料、尿素与氨基乙酸为辅助燃料采用溶胶燃烧法在较低温条件下制备了YAG:3.3%Ce~(3+)荧光膜,在40层重复涂膜,膜层为大小约50 nm颗粒紧密堆积而成,膜厚达5.1μm。所制备的YAG:3.3%Ce~(3+)荧光膜在蓝光区有着强吸收峰,波长大于500 nm处有着良好的透光性,发光量子产率达56%。所YAG:3.3%Ce~(3+)荧光膜可应用在白光LED的封装,在8V电压,100 m A电流驱动下,发光效率为82 lm/W,色温为4536K,显色指数为75.6。4.研究了石榴石母体结构对Ce~(3+)发光特性的影响。利用更大离子半径的Tb~(3+)与Gd~(3+)取代Y~(3+)所在12面体位置,会增大晶体的晶场分裂能与晶格畸变效应,因此Ce~(3+)的发光光谱半峰宽与峰值波长呈现了宽化与红移。以钪离子取代铝离子,发光光谱半峰宽呈现了宽化,但没有发生红移。适当增大石榴石的晶胞体积可减小Ce~(3+)发生荧光猝灭的概率从而提高发Ce~(3+)的发光强度;Ce~(3+)发光峰的宽化与红移有效改善白光LED的发光性能,以TAG:3.3%Ce~(3+)荧光膜所封装的白光LED的发光效率达72 lm/W,色温为4888 K,显色指数79.2;以(Y0.7Gd0.3)3Al5O12:3.3%Ce~(3+)荧光膜所封装的白光LED的发光效率为88 lm/W,色温为4356 K,显色指数达78.3,而以(Y0.25Gd0.75)3Al5O12:3.3%Ce~(3+)荧光膜所封装的白光LED,有着更高的显色指数81.2。5.论文研究了在YAG母体中Ce~(3+)→Eu~(3+)与Ce~(3+)→Pr~(3+)能量传递过程对荧光膜发光特性的影响,YAG:Ce~(3+)/Eu~(3+)与YAG:Ce~(3+)/Pr~(3+)荧光膜在红光区的发光性能均得到了提高,分别在610 nm与611 nm出现了尖锐的发光峰。Eu~(3+)的共掺杂会引起母体中的Ce~(3+)离子发生荧光猝灭,因此,虽然其在红光区的发光得到了提高,但荧光膜的整体发光强度大幅度的下降;在YAG:Ce~(3+)/Pr~(3+)荧光膜中,当Pr~(3+)的掺杂浓度小于0.75%时,发光光谱的强度仍可保持在95%以上。首次制备的Y0.7Gd0.3AG:3.3%Ce~(3+),0.5%Pr~(3+)荧光膜的发光峰红移到550 nm,在611 nm的尖锐的红光发射峰,其发光光谱强度相对YAG:3.3%Ce~(3+)也得到了提高,对封装的白光LED性能得到了改善,发光效率为84 lm/W,显色指数为83.4,色温为4327 K。6.论文以共掺杂能量传递敏化剂来增强荧光膜对激发光的吸收能力而提高了所制备荧光膜的发光特性。由于母体中含有高浓度的激发跃迁为4f→5d的Tb~(3+)离子,所制备的YTb AG:5%Eu~(3+)与YTb AG:3.3%Ce~(3+)在紫外区有着超强吸收峰,因此在275 nm激发条件下,在能量传递的作用下增强了所制备荧光膜的发光光谱强度。所制备的YTb AG:3.3%Ce~(3+)荧光膜在275 nm激发下有着明亮的黄绿光发射;YTb AG:x%Eu~(3+)荧光膜有可调控的发光性能,随着Eu~(3+)荧浓度从0%增大5%,发光可从绿光向黄绿光、黄光、橙黄光、橙红光、红光转变。
王丹丹[3]2015年在《掺杂ZnO半导体磁性及其光学性质研究》文中研究表明稀磁半导体因其在自旋电子器件上有着很高的潜在应用价值而吸引了国内外科研人员的广泛关注。ZnO在室温下同时具有铁磁性和电子的荷电特性,如何制备出室温下的稀磁半导体使其可以应用于制备自旋电子器件已经成为人们研究的热点。ZnO作为一种宽禁带半导体,有高的激发能(60meV)、稳定的化学性能和热性能,并且价格低廉、资源丰富,所以有广泛的应用前景和丰富的研究内容。近年来,对ZnO基稀磁半导体的研究方兴未艾,但是在一些重要机理研究上仍然存在很大争议。例如,ZnO基稀磁半导体的磁性起源问题、磁性和非磁性元素掺杂对磁性能的影响以及半导体缺陷在稀磁特性中扮演的角色等。本文选择非磁性和磁性元素掺杂ZnO薄膜为研究对象,重点研究了Mg、Co掺杂ZnO半导体薄膜的稀磁特性,并且结合光谱技术探讨了Mg、Co:ZnO薄膜的磁性起源。取得的主要研究内容如下：1、采用脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition, PLD)技术制备Mg、Co掺杂ZnO薄膜,选取单晶Si(100)作为薄膜衬底,在不同元素、含量和退火温度等条件下,研究了薄膜的结构、形貌、磁学性能及光学性能。实验表明,掺杂后的薄膜,根据掺杂含量不同分别具有六角形纤锌矿结构和四方相结构,进而引起了磁性上的差异。揭示出ZnO半导体结构与磁性具有很强的关联性,为研制稀磁ZnO半导体材料提供了有价值的实验结论。2、系统研究了非磁性Mg掺杂ZnO薄膜。研究结果表明,所有Mg掺杂ZnO薄膜在室温下均呈现出铁磁性。当非磁性元素含量较低时,薄膜具有六角形纤锌矿结构,XRD谱线呈现单一的ZnO(002)峰,说明样品为单晶薄膜。当Mg含量继续增加时,ZnO(002)峰逐步减弱而MgO(200)峰逐步增强,当Mg含量增加到0.25时,薄膜转化为四方相结构,并且其磁性随之增强.。同时发现,氧气氛和退火温度对磁性也产生明显的影响,氧压增加对薄膜的磁性有增大效应,而退火温度的提高会减弱薄膜的磁性。3、系统研究了磁性元素Co掺杂的ZnO薄膜。研究结果表明,与Mg元素相比,难以获得ZnCoO薄膜的单晶结构,Co掺入ZnO晶格之后,除了六角形纤锌矿结构之外,薄膜还形成混合相。薄膜磁性随着Co含量增大先减小后增大。改变ZnCoO薄膜的退火温度,发现退火温度增大薄膜磁性减弱,并且发光强度也随之减弱。
范志新[4]2002年在《电子薄膜材料最佳掺杂含量的理论研究》文中认为电子薄膜科学在物理学与材料学科中已经形成了一门分支学科。薄膜材料与当代的许多先进科学技术密切相关，所以它的发展非常迅速、应用十分广泛，如电子薄膜、光学薄膜、机械薄膜、防护薄膜、装潢薄膜和节能薄膜等。电子薄膜的研究领域包括高T_c超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、磁性薄膜、压电薄膜、热电薄膜等。 单一的纯净元素组成的电子薄膜材料的性能往往不能满足实际的需要，必须进行掺杂改性。掺杂的作用是多方面的，对薄膜的力学、电学、光学、化学、结构和形貌等性能都会随掺杂材料的种类和掺杂含量而改变。从本质上来讲，掺杂引起杂质能级，能带变化，改变了晶体的载流子浓度，使晶体结构发生畸变等。掺杂对几乎所有电子薄膜材料都是非常必须和十分重要。 掺杂改性是功能材料科学研究中的永恒的课题，而确定最佳掺杂含量又是这种研究当中最基本的内容之一。每当一种材料成为研究的热点，都会迅即有对其进行的掺杂剂选择，掺杂方法(即制备技术)的选择比较和确定合理的掺杂含量的大量的相关实验的报道。薄膜研究工作者们已经在实验中积累了丰富的经验，发展了许多新技术，也推动了薄膜物理理论的发展。但是长期以来，人们一直认为最佳掺杂含量问题十分复杂，很难用理论来计算最佳掺杂含量，所以没有用理论计算最佳掺杂含量的研究报道。本工作就是对最佳掺杂含量的理论研究。 本工作全面系统地对各种电子薄膜材料掺杂最佳含量的实验结果进行分析，发现普遍性的规律。本研究工作的创新点在于，从薄膜的晶体结构出发，建立起薄膜的物理性能与晶体结构中原子配位数与掺杂原子含量以及薄膜制备方法之间的关系，归纳给出薄膜中外部掺杂的最佳含量理论表达式。以此表达式计算出的掺杂最佳含量值与实验数据相符。 本研究首次给出对氧化锌薄膜的铝掺杂最佳含量的理论计算。理论计算值(2.9894wt％)与实验数据结果(2wt％～3wt％)相符合。 本研究首次给出对各种制备方法的氧化铟薄膜的锡掺杂最佳含量的理论计算。理论计算值(16wt％、10wt％、6.25wt％、2wt％)与实验数据结果(18wt％、10wt％、5wt％、2wt％)相符合。 本研究首次给出对各种制备方法的二氧化锡薄膜的锑掺杂最佳含量的理 电子薄膜村料最佳掺杂含量的理论研究论计算。理论计算值（667at％～9刀gat％、4D4at％～5．51at％、2．45at％～3．34at％。1．48at％～Zat％）与实验数据结果（15at％、7mol％、smol％、1．sat％）比较符A r习 口 本研究首次给出对铁电材料钛酸钡薄膜的钾掺杂和铅钛酸铅的Y掺杂最佳含量的理论计算。理论计算值（4．7Wt％）与实验数据结果（3Wt％～SWt％）比较符合。 本研究首次给出对电致发光材料硫化锌薄膜的锰掺杂和硅基发光材料饵掺杂最佳含量的理论计算。理论计算值与实验数据结果比较符合。 本研究首次给出对气敏材料a－氧化铁薄膜的锡掺杂、二氧化锡钙掺杂和锑掺杂、电热材料碳化硼薄膜的硅掺杂、电致变色材料氧化钨和氧化铝掺杂最佳含量、多种电子陶瓷材料的掺杂最佳含量的理论计算。本研究首次给出对人工晶体锯酸理掺杂、生物医学工程材料的人工骨磷酸叁钙锌掺杂和血液相容性材料氧化钛钮掺杂最佳含量的理论计算。理论计算值与实验数据结果相符合。 本研究工作对于研究材料掺杂改性，掺杂对材料性能的影响的机理的认识有重要意义。本研究工作开创了一个全新的材料物理理论领域——一掺杂最佳含量的定量计算，具有源头创新的意义。
王泽岩[5]2009年在《宽禁带半导体ZnO、GaN及其相关材料的微结构调控与性能研究》文中指出材料科学的发展是人类文明发展的标志,从人类诞生到现在先后经历了石器时代、青铜时代、铁器时代,而现在人们进入了以半导体材料为基础的电子信息时代。随着科学技术的飞速发展和人类文明的不断进步,人们对材料应用与需求标准越来越高,目前传统的半导体材料已经渐渐不能满足人们的需要,探索和研究具有更好性能的新材料成为材料科学发展的重点。宽禁带半导体材料是一种具有优良性质,能够应用于制作大功率、高温、高频器件,并且能够实现更高集成度的半导体材料,是人类社会在未来一段时间内最具应用前景和研究意义的材料之一。而伴随着上世纪80年代,纳米技术与纳米材料的出现,人们发现材料的性能不仅仅取决于材料本身的化学组分,还与其微观结构与聚集状态密切相关。材料的微观结构及其聚集状态又受到材料的制备过程、制备工艺的影响。因此,对材料的生长过程、形貌、结构等宏观参数进行微结构调控,通过研究这些宏观参数对材料本身的原子结构、电子分布等微观参数的影响,从而改进材料的物理性能,对材料科学的发展以及材料在实际生活中的应用具有及其重要的意义。在本论文中,我们选取两种非常重要的宽禁带半导体材料:ZnO和GaN,作为研究对象。采用化学工程、能带理论等方法作为研究、制备和设计ZnO和GaN材料的手段。针对目前人们对ZnO和GaN材料制备过程、实际应用中遇到的一些关键问题,对制备过程——微观结构——物理性质之间的关系进行研究,从而实现对材料的微结构和性能的调控,并结合理论计算的研究对实验过程与结果进行解释和验证,探索材料的性能——结构——过程之间的基本规律,为实现材料的规模化生产提供指导和理论依据。在第一章中,简单介绍了半导体材料的分类、几种重要的物理性质以及影响半导体材料性能的因素。并简单的介绍了宽禁带半导体,特别是ZnO和GaN材料的晶体结构、发展现状、物理性质及应用情况。在第二章中,采用水热法,通过在反应溶液中加入表面活性剂制备了氧化锌纳米棒和FTO导电玻璃衬底上取向排列的ZnO纳米棒阵列。通过XRD、SEM、UV-vis分光光度计、PL等对ZnO纳米棒及纳米棒阵列的形貌、结构、光学性质等进行了表征,并对其发光机理进行了系统的研究。通过在反应溶液中添加PVA和PEG作为表面活性剂,可以有效抑制ZnO沿(100)和(101)方向的生长,降低ZnO生长过程中出现的团聚现象,并且使ZnO的带边发光峰消失,出现新的紫光发射峰。通过PVA表面活性剂的添加,氧化锌纳米棒阵列的取向性相对于未添加任何表面活性剂的样品有了明显的改善。氧化锌纳米棒阵列的透过率也大幅提高。同添加PVA表面活性剂生长的氧化锌纳米棒一样,PVA的加入使得原有的氧化锌带边发射峰消失,而在紫光区域产生新的发射峰。为了研究其发光机理,我们对所生长的氧化锌纳米棒阵列进行了一系列不同气氛下的退火处理。另外,我们还对氧化锌纳米棒阵列的光催化性能进行了研究。在第叁章中,采用共沉淀法成功制备了氧化锌/氧化铟纳米异质p-n节光催化材料。通过系统的研究退火温度、反应物的初始浓度以及Zn/In比例对所制备的样品的光催化活性的影响,我们得到了制备该体系的最佳条件:Zn/In=1:1,Zn~(2+)的初始浓度为20mM,退火温度为800℃。通过各种表征手段,对氧化锌/氧化铟异质结纳米材料的结构、形貌、界面结构进行了研究。通过研究该体系不同样品的光催化效果,并研究造成不同光催化效果的原因,讨论了其能带结构及载流子在光催化反应中的传输过程,探索了该体系地光催化机理。最重要的是,通过制备氧化锌/氧化铟纳米异质结光催化材料,成功验证了异质结或p-n节对光催化活性的影响,并对今后结合半导体的能带理论,通过设计能带结构制备具有特殊用途的可见光响应的高效光催化材料提供了基础,对光催化材料的发展具有重要的意义。在第四章中,采用碳热法制备了氮化镓以及氧化锌/氮化镓固溶体纳米材料。通过改变反应原料中活性炭的比例,制备了一系列不同的样品,研究了利用碳热法制备的氮化镓、氧化锌/氮化镓固溶体材料的结构、形貌以及生长过程。在碳热法制备纳米材料的过程中初始原料中C的比例对材料的生长过程以及形貌会产生重要的影响。通过一系列的测试表征对碳热法制备氮化镓、氧化锌/氮化镓材料的生长机理进行了探究。通过试验结果分析,我们发现碳热法是一种对材料的形貌、结构进行调控的简单有效的制备方法。但利用碳热法制备的氮化镓以及氧化锌/氮化镓材料的物理性质以及晶体结构对称性方面的研究仍需要进一步深入的研究。在第五章中,采用碳热还原氨化法制备了Mn/C共掺杂的氮化镓纳米材料。在不同的C/Ga比例情况下制备的Mn/C共掺杂氮化镓材料具有不同的形貌。通过XPS分析了样品中Mn和C元素的含量及成键状态,证明了Mn和C成功掺入了氮化镓晶格。室温磁性的研究表明,Mn/C共掺杂的氮化镓纳米材料比单纯Mn掺杂的氮化镓材料的饱和磁化强度高大约40倍,并且样品的饱和磁化强度随着C/Ga比例的升高而稳步增加。这提供了一种通过调节初始原料中C/Ga比例,对氮化镓的形貌及其铁磁性质进行控制的方法。结合密度泛函理论计算,研究了Mn原子和C原子在氮化镓晶格内的占据位置,并且讨论了Mn/C共掺氮化镓体系的磁性。计算结果表明Mn和C共同掺入氮化镓晶格时,Mn优先占据Ga的位置,C优先占据N的位置,并且当Mn和C共同掺入氮化镓晶格时,能够大大提高Mn原子的掺入量。磁性方面,C的共掺杂能大大提高体系的铁磁性,并有效抑制向反铁磁态的转变。在第六章中,采用碳热法制备了Fe、Ni掺杂的氮化镓纳米材料。研究了其不同组分下制备的样品的结构、形貌以及磁学性质。我们发现通过改变初始原料中C的比例,样品的形貌会相应改变。同时,样品的磁性也会相应的变化。在第七章,对本论文的工作进行了总结,并对现有研究工作存在的问题进行了分析与讨论。同时,针对目前的工作存在的问题,对未来的研究工作进行了规划与展望。总之,半导体材料,特别是宽禁带半导体材料对人类未来的发展和科学水平的提高具有非常重要的意义。在本论文中,我们通过研究ZnO和GaN基系列材料制备过程——微观结构——材料性能之间的关系,实现了对ZnO和GaN基系列材料的微结构与性能的调控,探索了材料制备过程中性能——结构——过程之间的基本规律,这对于改善和提高ZnO和GaN材料的性能以及实现材料的规模化应用具有非常重要的理论指导意义。
马骏[6]2011年在《低维纳米结构的制备及其性能研究》文中进行了进一步梳理目前,纳米材料由于其具有与宏观材料不同的物理、化学特性受到了广泛的关注,并且使得器件的尺寸逐步向纳米尺度过度,在纳米材料的基础上出现了一系列的新型器件。因此,低维纳米材料的可控低成本制备仍然具有十分重要的意义。在低维纳米结构的制备和性能研究方面本文主要做了以下几个工作:(1)作为一种典型的光电半导体材料, CdS纳米粒子在光吸收、光致发光、光电转换、非线性光学、光催化、生物标记和传感器等方面有着较好的应用前景。通过水热法、溶剂热法、以及我们特有的超声微波法尝试对CdS纳米结构进行Sr、Cu、Co、Ag这几种元素不同含量的掺杂。发现超声微波法能够实现Ag的有效掺杂,并且能够实现CdS纳米粒子晶体结构由立方结构向六方结构转变。(2)对Ag掺杂的CdS纳米粒子的光学性质进行了研究。发现随着Ag掺杂含量的增加,CdS的拉曼特征散射峰逐步增强。在252nm的激发波长下不同Ag掺杂的样品都在395nm处有很强的光致发光峰,当用469nm的激发波长激发时,样品的本征带边发光,表面态、缺陷态或杂质态发光都会出现。设计了简易的光化学反应装置,并对不同Ag掺杂的CdS的光降解催化能力进行了评价,结果表明样品的光催化能力随Ag掺杂含量的变化而合理变化。(3)通过液相法合成了长径比较大的成分单一的Ag纳米线。通过改进Hummer法,制备了质量较好的氧化石墨烯,原子力显微镜表征结果显示,采用化学氧化法制得的氧化石墨烯是单层与多层共存的。
陈兰兰[7]2007年在《In-N共掺杂制备p-ZnO薄膜及ZnO其它相关掺杂研究》文中研究表明ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，属于六方纤锌矿结构，(002)晶面的表面自由能最低，因而ZnO通常具有(002)取向性生长。ZnO在光电、压电、热电、铁电等诸多领域都具有优异的性能，在低维纳米领域也表现优异，拥有各式各样的纳米结构。作为一种直接带隙宽禁带半导体材料，ZnO最具潜力的应用是在光电器件领域。ZnO的禁带宽度为3.37 eV；激子结合能为60 meV，远高于其它宽禁带半导体材料，如GaN为25 meV，ZnO激子在室温下也是稳定的，可以实现室温或更高温度下高效的激子受激发光。所以，ZnO在短波长光电器件领域有着极大的应用潜力，如紫蓝光发光二极管(LEDs)和激光器(LDs)等，可作为白光的起始材料。ZnO要实现在光电领域的广泛应用，首先必须获得性能良好的n型和p型ZnO材料，并实现透明的ZnO同质p-n结。高质量的n型ZnO很容易实现，但是ZnO的p型掺杂由于其固有的极性却非常困难，这是目前制约ZnO实际应用的瓶颈，也是ZnO研究中面临的主要挑战。这一课题也正是本文研究的重点和核心，本文的研究便是以ZnO的p型掺杂为中心而展开的。1．实现了In-N共掺p-ZnO，制备了ZnO同质p-n结，对In-N共掺实现p-ZnO的机理进行了详细而深入的分析我们用直流反应磁控溅射制备了In-N共掺p-ZnO。SIMS测试表明In、N都已经掺入薄膜，In的掺入促进了N在薄膜中的掺杂量。我们制备的薄膜在室温下显示出良好的结晶质量和p型表现。通过选用不同的衬底，得到可靠的最优室温下的p型表现是在SiO_2／n-Si衬底上，电阻率为3.12Ωcm，载流子浓度为2.04×10~(18)cm~(-3)，迁移率为0.979 cm~2V~(-1)s~(-1)。In-N共掺法制备p-ZnO是稳定和可重复性兼备的。研究了In含量对共掺ZnO薄膜电学性能的影响。霍尔测试结果显示杂质离子散射是影响载流子迁移率的主要机制，它很好的解释了随着In含量的增加，迁移率逐渐减少的电学输运机制。XPS结果显示正是In的出现，通过形成In-N键和Zn-N键而促进了N掺入。改变In含量时，所得的最优p-ZnO其电阻率为16.1Ωcm，Hall迁移率为1.13 cm~2／Vs，载流子浓度为3.42×10~(17) cm~(-3)，对应薄膜中的In含量为0.14 at.％，此时共掺ZnO薄膜的(002)衍射峰位和本征ZnO最为接近。在衬底温度从490℃到580℃之间，用In-N共掺方法实现ZnO的p型导电。在低温区域共掺ZnO薄膜显示出很高的电阻率，载流子导电类型不确定，没有明确的p型导电型号；在中间温度区能够获得p型电导；在高温区域载流子导电由p型转换为n型。所制备的最优p-ZnO其电阻率为23.7Ωcm，Hall迁移率为0.752 cm~2／Vs，载流子浓度为3.51×10~(17) cm~(-3)。我们提出复合体模型，用来解释导电类型随衬底温度的变化规律。通过两步法引入缓冲层，提高了共掺ZnO薄膜的性能。所得的最优的In-N共掺p-ZnO薄膜的可靠电阻率为7.85Ωcm，Hall迁移率为1.47 cm~2／Vs，载流子浓度为5.40×10~(17) cm~(-3)。以此为基础，制备了p-ZnO∶(In，N)／n-ZnO∶In同质p-n结，该结在Ⅰ-Ⅴ测试中显示出明显而良好的电流整流特性。In-N共掺ZnO薄膜的的导电性可以通过调节衬底温度来控制，也可以通过引入缓冲层来提高相关性能，对于ZnO基光电器件有重要意义。2．研究了ZnO其它相关掺杂我们采用直流反应磁控溅射，制备了ZnO∶Li薄膜。研究了玻璃衬底上生长的ZnO∶Li薄膜的电学性能、晶体结构和光学性能在不同退火温度下的表现。在所有显示p型导电性的样品中，当退火温度为500℃时，所得的最优p-ZnO其电阻率为57Ωcm，Hall迁移率为1.03 cm~2／Vs，载流子浓度为1.07×10~(17) cm~(-3)。最佳退火温度确定在于所得薄膜的(002)衍射峰位为34.43°，这个值和粉末ZnO的2θ值是一致，这会为Li的掺入构建一个合适的环境，使Li_(Zn)受主在晶格中稳定下来，从而获得良好的p型导电性能。随着退火温度的进一步增加，载流子导电类型由p型转换为n型，并且随着温度的升高，n型导电信号逐渐增强。可能是由于Li受主的再蒸发，更好的结晶质量和加剧薄膜中补偿施主(如V_O)的生成，因为退火在Ar气氛下进行的。对最优p型表现的样品进行变温PL测试，拟合得到两个位于～140 meV和～260 meV的受主能级。我们把位于～140 meV的能级认为是Li_(Zn)受主能级。我们利用直流反应磁控溅射，在不同的Ar／O_2比下在玻璃和Si(111)衬底上都长出了c轴高度择优取向，结晶质量良好的Cd_xZn_(1-x)O(x=0.1，0.2)薄膜。研究了Ar／O_2比对Cd_xZn_(1-x)O薄膜晶体质量和带隙的影响。当Ar／O_2比从1∶4到1∶1间连续变化时，生长在玻璃衬底上的Cd_(0.1)Zn_(0.9)O薄膜的半高宽(FWHM)逐渐减少(从0.36°)，在Ar／O_2比值为1∶1取得最小值0.29°；薄膜的带隙E_8逐渐减少(从3.149 eV)，在Ar／O_2比值为1∶1取得最小值3.099 eV。当Ar／O~2比继续增加到2∶1时，半高宽则增加到0.35°；带隙E_8则增加到3.114 eV。Cd_(0.2)Zn_(0.8)O薄膜半高宽(FWHM)和带隙E_8的变化趋势和Cd_(0.1)Zn_(0.9)O薄膜是一样的。并提出了Ar／O_2比对Cd_xZn_(1-x)O薄膜带隙影响机制的合理解释。
张利强[8]2012年在《ZnO基半导体p型、稀磁掺杂研究与纳米锂离子电池原位透射电镜分析》文中研究表明本论文的工作分成两个部分,第一部分主要涉及ZnO基半导体的p型掺杂及器件与ZnO基稀磁半导体薄膜的制备与性能研究；第二部分主要关于纳米锂离子电池原位透射电镜的分析。ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料,室温禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能为60 meV,远高于室温热能(26 meV),具备激发紫光或紫外光的优越条件,可应用于制备紫光、紫外光等多种发光二极管(LED)。本征ZnO中存在较多的锌间隙和氧空位等施主型缺陷,是一种天然n型半导体,必须通过受主掺杂才能实现ZnO的p型转变。但施主型缺陷会对受主掺杂产生高度自补偿作用；另外受主杂质在ZnO中的固溶度比较低,稳定性也比较差,限制了p型ZnO的发展,进而制约了ZnO基光电器件的应用。在ZnO的研究中,Zn1-xMgXO合金的制备扮演着重要的角色。通过改变掺入ZnO中Mg的含量,使Mg取代Zn的位置,可以形成Zn1-xMgXO合金；随着Mg含量的不同,Zn1-xMgXO合金可以调节能带宽度在3.3～4.3 eV之间变化；Zn1-xMgXO合金保持着ZnO的纤锌矿结构,与ZnO结合时失配度很小；如果在ZnO基发光二极管中建立ZnO/ZnMgO多量子阱或超晶格结构,还可以提高器件的发光效率。然而要实现Zn1-xMgXO合金的应用,一个关键的问题是如何获得性能优良的p型Zn1-xMgXO薄膜。目前,国外有许多课题组在从事p型Zn1-xMgXO薄膜的研究,研究最多的是V族元素掺杂,如：N、P、As等,这些元素代替O可以形成受主掺杂。虽然经过多年的研究,但是这些掺杂方法制备的p型Zn1-xMgXO性能还不够稳定。最近,IA族元素掺杂制备p型Zn1-xMgXO薄膜的研究引起了人们广泛的重视。理论计算表明,IA族元素在ZnO中具有较浅的受主能级,LiZn、NaZn、KZn的电离能分别为0.11eV、0.16eV和0.29eV。从离子半径考虑,Li离子半径太小,易形成间隙位,因此本文第四章主要讨论选用IA族元素Na和K掺杂制备p型Zn1-xMgXO及其发光器件。实验发现使用PLD方法在适宜条件下制备的Na掺杂Zn1-xMgXO薄膜电阻率为1.08Ω-cm,空穴载流子浓度为1.21x1019 cm-3。然后将p型性能最好的Na掺杂Zn1-xMgXO薄膜沉积在n型ZnO单晶衬底上制备出可以在室温条件下实现电致发光的p-Zn1-xMgxO:Na/n-Zn0 LED。在500℃和40Pa O2的条件下制备的K掺杂Zno.95Mg0.050薄膜也可以实现p型转变,电阻率为15.21Q.cm,空穴载流子浓度为5.54×1018cm-3。自从Dietl等预测ZnO半导体材料可以通过掺入过渡族金属离子而形成稀磁半导体以来,ZnO在稀磁半导体领域的应用也引起了人们广泛的关注。ZnO基稀磁半导体是指在ZnO中掺入各类过渡族元素,形成兼具半导体和磁性双重性质的新型功能材料,具有磁光、磁电、磁力等优良性质,在未来的电子、信息等领域有着广泛的应用前景。如果能够制备出满足实际需要的稀磁半导体,将会对未来的信息技术等行业产生深刻的影响,带来巨大的经济和社会效益。本文第五章深入讨论Mn、Co、Cu掺杂的ZnO基稀磁半导体的制备及性能研究,分析不同掺杂元素使薄膜产生室温铁磁性的根本原因。这部分工作的亮点是与ZnO的p型掺杂相结合,系统阐述了p型环境对ZnO基稀磁半导体的影响。实验发现Mn掺杂ZnO需要在p型环境中才能实现室温铁磁性,并且磁性大小随着空穴载流子的提高而增大；Co掺杂ZnO薄膜室温铁磁性的实现需要在n型环境中并且存在大量氧空位缺陷；Cu掺杂ZnO薄膜产生室温铁磁性的根本原因是Cu2’通过氧缺陷产生耦合作用而形成的,p型掺杂不利于Co、Cu掺杂ZnO薄膜室温铁磁性的形成。随着石油、煤等传统能源材料的枯竭以及环境污染等问题的加剧,人类对清洁能源的需求越来越紧迫。锂离子电池,作为二次绿色能源的代表,日益受到人们的关注。锂离子电池具有工作电压高、体积小、质量轻、充放电速度快、无污染、自放电小、能量密度大、无记忆效应、循环寿命长等优点,已得到了世界广泛的认可。但是锂离子电池电极材料在充放电的过程中,体积会发生明显的膨胀,产生高密度位错、宏观缺陷等,这些变化是导致电池性能降低和寿命缩短的根本原因。虽然经过多年的研究,但是电极材料在充放电过程中结构和相的变化机理还不是很清楚,如何从根本上提高电池的充放电效率更是知之甚少,因此迫切的需要发明一种方法能从微观上实时地观察电极材料在充放电过程中的变化,本文第二篇第七章使用透射电镜原位观察电极材料在充放电过程中的变化正是为了满足这样的需要而设计的。在透射电镜中使用单根纳米线,液态电解液和LiCo02体材料或者单根纳米线与金属Li来搭建一个微观的纳米锂离子电池,实时观察纳米电极材料在充放电的过程中结构和相的变化。实验首次采用原位透射电镜方法实时的观察到SnO：纳米线在充放电的过程中微观结构和相的变化；设计采用碳、铝、铜等包覆结构提高SnO2纳米线的导电率,提升电池的充电速率,并限制其沿着径向的膨胀,减小反应前端位错区的形成；发现SnO2纳米线在充放电过程中Sn枝晶的两种不同形成模式；对Si纳米线进行磷掺杂和镀碳实现了超高速充电。这种设计方法对于未来设计新型高性能锂离子电池具有重要的意义。
贾昌文[9]2007年在《TiO_2基半导体材料的光学和磁学特性研究》文中研究表明TiO_2基半导体薄膜和纳米结构的研究与开发对半导体发光材料、自旋电子学、光催化剂以及染料敏化太阳电池等领域具有重要意义。稀土掺杂TiO_2薄膜和纳米材料可以获得从可见到红外波段的有效发光；Co掺杂TiO_2纳米材料可以获得具有室温铁磁性的纳米稀磁半导体；N的掺杂可以使TiO_2的吸收边延伸至可见光区。本论文主要在TiO_2材料的制备工艺以及对其进行掺杂等方面开展了工作，对材料的结构、光学以及磁学特性进行了研究。主要内容包括以下几个方面：(1)用Sol-Gel法制备了TiO_2:Tb薄膜并且研究了薄膜的发光性能。PL研究表明在可见光区410，432，467，493，550，590和624nm有较强的发光峰，分别对应于Tb~(3+)离子4f层内的~5D_3→~7F_5，~5D_3→~7F_4，~5D_3→~7F_3，~5D_4→~7F_6，~5D_4→~7F_5，~5D_4→~7F_4和~5D_4→~7F_3跃迁。其中最强的发光为550nm的绿光发射。研究了绿光强度与Tb~(3+)离子浓度的关系，发现当Tb~(3+)离子浓度达到9.5mol％时发光强度最大，当Tb~(3+)离子浓度高于9.5mol％后发生浓度猝灭现象。当在TiO_2:Tb薄膜中掺入Ce~(3+)离子后，Tb~(3+)离子的发光强度明显增强，表明在材料中存在Ce~(3+)对Tb~(3+)的敏化作用。获得的薄膜在半导体发光材料领域有潜在的应用价值。(2)用Sol-Gel法制备了TiO_2:Eu薄膜并且研究了材料的结构和发光性能，获得的薄膜有很强的红光(620nm)和近红外发光(815nm)发射，前者归因于Eu~(3+)离子4f层内~5D_0→~7F_j的跃迁发光，后者是由于TiO_2中Ti~(3+)离子的缺陷态引起的发光。研究了退火温度对薄膜发光的影响，并且讨论了稀土离子在TiO_2中的发光机理，随着退火温度的升高，Eu~(3+)离子的红光发射强度先增大后减小，退火温度为700℃时红光最强。对比纯TiO_2薄膜的发光谱后发现TiO_2:Eu薄膜中存在自陷态激子(STE)向Eu~(3+)离子的能量转移，当退火温度高于700℃后815nm的近红外光出现并且随着退火温度的进一步升高发光强度显着增强，在此基础上提出了能量转移机制，即在高温退火后材料存在从TiO_2基质到Eu~(3+)离子的能量传递，同时Eu~(3+)离子向TiO_2基质中的Ti~(3+)缺陷态能量背传递，这导致了Eu~(3+)离子的发光减弱而Ti~(3+)离子的缺陷态的发光增强。(3)用电纺丝(electrospinning)法制备了直径为75nm左右的TiO_2纳米纤维。并且对TiO_2纳米纤维成功地进行了稀土(Er)掺杂，研究了TiO_2：Er纳米纤维的表面形貌，晶体结构以及光致发光特性。获得的材料有很强的位于566.6nm的绿光发射，是由于Er~(3+)离子4f层内~4S_(3/2)→~4I_(15/2)的跃迁所致。随着退火温度的升高Er~(3+)离子绿光发射显着增强，在室温下能用肉眼观察到。制备的纳米纤维在荧光材料领域有潜在的应用价值。(4)用电纺丝法获得了具有室温铁磁性的稀磁半导体(TiO_2：Co)纳米纤维。获得的纳米纤维其直径约为70nm，Co的掺杂浓度约为5mol％。用XRD分析了不同温度下空气中退火后材料的结构，没有发现与Co有关的杂相，随着退火温度的升高样品从锐钛矿转变到金红石相。通过VSM测量表明样品呈现室温铁磁性。分析发现TiO_2：Co纳米纤维的发光谱与纯TiO_2纳米纤维的发光谱不同，不仅存在TiO_2自陷态激子(STEs)的复合发光，而且包含Co~(2+)离子掺杂引起的氧空位的发光，说明TiO_2：Co纳米纤维的铁磁性与氧空位有关，经过分析后认为：F中心交换(FCE)作用可能是产生材料铁磁性的原因，Co~(2+)离子通过以被氧空位陷落的电子为媒介进行铁磁性耦合，从而使材料呈铁磁性。(5)用电纺丝方法制得TiO_2纳米纤维，然后在NH_3气流中长时间退火将N掺入TiO_2纳米纤维中。对其表面形貌，结构以及紫外-可见吸收特性进行研究后发现N掺杂TiO_2纳米纤维的光学带隙(2.7eV)相对于纯TiO_2纳米纤维减小了约0.46eV，即N的掺杂使TiO_2纳米纤维的吸收边延伸到了可见光区。获得的材料在光催化以及染料敏化太阳电池等领域具有潜在的应用价值。
刘晓雪[10]2006年在《Ni掺杂ZnO薄膜的制备与性质》文中研究表明ZnO是一种宽带隙的半导体材料，室温下它的能隙宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，具备优异的紫外发光条件，这使得ZnO成为一种具有很大应用潜力的短波光电子材。同时，根据理论预测将过渡金属Cu、Mn和Ni等掺杂于ZnO，可以形成居里温度高于室温的稀磁特性，这使得ZnO有望成为一种稀磁半导体材料，在未来自旋电子学器件中具有重要应用。本论文采用脉冲激光沉积(PLD)方法制备Ni掺杂的ZnO薄膜，研究不同Nj含量对样品结构的影响、系统研究掺杂含量与样品的荧光特性以及磁性能间的关系。同时，制备了高Ni含量的ZnO薄膜，形成Ni的结构有序相，对其微结构和荧光特性进行了研究与分析。取得了如下主要结果： 1．在室温条件下采用脉冲激光沉积技术在Si(100)衬底上制备Ni掺杂ZnO薄膜，研究了掺杂Ni以后薄膜结构的变化。对不同Ni含量样品的荧光性能进行了研究，观察到360nm的新荧光峰，且不同Ni含量下，荧光峰位置不变，而相应的发光强度发生了变化。当靶材中Ni：ZnO的摩尔比为5％时，样品中360nm左右的荧光峰强度最强。其结果表明360nm的荧光峰可能起源于分裂的价带与导带间的复合跃迁，而Ni的加入对其跃迁几率产生明显影响。 2．采用PLD方法，在室温下制备不同含量Ni掺杂的ZnO薄膜，并在室温下采用VSM测试其磁性能，首次在Ni掺杂的ZnO薄膜中获得了室温下的铁磁性，当Ni分别为1at．％，3at．％，5at．％，7af．％时，对应的每个Ni原子饱和磁矩分别为0.3μB，0.2μB，0.2μB，0.21μB。样品中每个Ni原子的饱和磁化强度随Ni含量的增加反而逐渐减小。通过对其磁性产生的机制分析，
参考文献：
[1]. 几种半导体发光材料最佳掺杂含量的理论研究[D]. 陈玖琳. 河北工业大学. 2003
[2]. 稀土掺杂YAG荧光膜的制备与发光性能研究[D]. 赵昀云. 电子科技大学. 2016
[3]. 掺杂ZnO半导体磁性及其光学性质研究[D]. 王丹丹. 安徽大学. 2015
[4]. 电子薄膜材料最佳掺杂含量的理论研究[D]. 范志新. 河北工业大学. 2002
[5]. 宽禁带半导体ZnO、GaN及其相关材料的微结构调控与性能研究[D]. 王泽岩. 山东大学. 2009
[6]. 低维纳米结构的制备及其性能研究[D]. 马骏. 南京航空航天大学. 2011
[7]. In-N共掺杂制备p-ZnO薄膜及ZnO其它相关掺杂研究[D]. 陈兰兰. 浙江大学. 2007
[8]. ZnO基半导体p型、稀磁掺杂研究与纳米锂离子电池原位透射电镜分析[D]. 张利强. 浙江大学. 2012
[9]. TiO_2基半导体材料的光学和磁学特性研究[D]. 贾昌文. 兰州大学. 2007
[10]. Ni掺杂ZnO薄膜的制备与性质[D]. 刘晓雪. 华东师范大学. 2006
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