掺杂tzno的制备与性能

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第l页摘要作为一种直接宽带隙和较高激子束缚能的半导体材料，znO具有非中心对称晶体结构和生物安全以及生物相容性等特点，广泛应用于光电子、电机耦合传感、变频器和生物工程材料领域。本论文采取在znO晶格中引入杂质离子的方式，制备出掺Al，Fe和Ag等元素的T．Zn0掺杂样品，并对掺杂样品的吸附作用、导电电性、气敏特性、光学和磁学性能以及相关元器件制备进行探索研究，取得了一些有意义的结果：用T．zn0对Fe3+，A13÷和cu2+溶液进行吸附实验，用等离子发射光谱仪(IPs)对溶液中金属离子浓度测量和采用x射线衍射(xRD)和扫描电镜fsEM

2、)等手段对金属离子在■zno表面状态进行研究。结果表明：T-znO对Fe”，A13_和cu”等金属离子有很强的吸附能力，对三种离子的吸附率达到99％以上；浸渍后的T—znO表面有吸附离子盐类生成。采取溶液浸渍法和高温烧结相结合制备Al掺杂的T-zn0，研究了掺杂浓度对T_znO的形貌和结构的影响，测试了不同气氛退火和Al掺杂处理的T-ZnO晶须的粉体电阻率，结果发现H2条件退火有利于T-znO电阻率的降低：Al掺杂能有效降低T-Zn0晶须的电阻率。以Al掺杂T—zn0作为导电填料制备了电阻率为106～108Q·cm的PVc／T．znO复合材料，对其表面电阻和体积电阻

3、进行了测试。发现随着T．ZnO用量的增加，Al掺杂T—zn0／Pvc复合材料的表面电阻率和体积电阻率明显下降，最佳体积添加量为5vol％。用高温固溶工艺制备了Al，Fe和Ag掺杂T-Zn0气敏材料并制作了烧结型厚膜气敏元件，测试了元件对H2S，NH3，c2H50H和H2的敏感特性，研究了掺杂jffI、掺杂工艺和材料形貌结构对■znO材料气敏特性的影响规律。结果显示znO材料对H2s和c2H50H气体灵敏度较高，对H2和NH3等气体灵敏度较差；经过氢气气氛热处理的掺O．1m01％Al的T-zno对气体表现出很高的灵敏度，在268．5℃时，对looppmH2s的灵敏度达

4、160；同时，A1掺杂工艺改善了材料对H2s和C2H50H的回复响应特性。在Fe掺杂zn0样品中，出现第二相(znFe204)可以提高对气体的灵敏度。·采用真空高温固溶工艺制备了不同浓度掺杂Fe的T-znO，利用xRD研究了掺杂后T-znO的物相结构，结果发现Fe在znO中的固溶度约为西南交通大学硕士研究生学位论文第

5、I页O．7moI％，超过此极限，Fe以第二相(znFe204)形式出现。用荧光光谱研究其发光性能发现掺杂后的T-znO发光强度随掺杂浓度增加先降低后增加。分析认为，绿光的发光机理是电子由vo到Vz。跃迁引起的。采用超导量子干涉测试仪(SOuID)和穆斯

6、堡尔谱仪研究了Fe掺杂T—znO的磁学性能，并探讨了掺杂样品物相结构与磁学性能的联系规律和Fe掺杂T．ZnO室温铁磁性的产生机理。研究发现：Fe掺杂浓度为0．5mol％，0．7mol％和O．9mol％的ZnO样品在室温下有铁磁性，而掺杂浓度超过O．9mol％的样品在室温下表现为顺磁性。Fe掺杂样品中表现出来的室温铁磁性是由Fe进入Zn0晶格改变其中电子自旋状态引起，而不是第二相或者电子自旋状态改变与第二相的共同结果。关键词：T_znO；掺杂；导电性；气敏特性；绿光发光；稀磁半导体西南交通大学硕士研究生学位论文第

7、

8、I页ABSTRACTZnOisawideanddir

9、ectbaIldgapII—VIsemiconductorwlt王1manyapplications，suchasatransparentcOnductivecontact，thin—fiImgassensor，varistor，solarcell，luminescentmaterial，surfaceelectro-acousticwavedevice，heterojunctionlaserdiode，uItravioletlaser，a11dothers．Inthisdissenation，A1，Fe，AgandCu—dopedtetra—needle—like

10、zincoxideV，hiskers(T-ZnO)werepreparedusingthehightemperaturesolidsolutiontreatment．M}any“ndsofinstrumentswereemployedtocharacterizethephysicalpropeniesofthesamples．SeVeralnoVelandimportantpropertiessuchasadsorptionef诧ct，conductivity，gassensitivity，green1uminescence，magnetism，andthere