离子掺杂对宽禁带半导体微纳米材料形貌和光学性质的调控.pdf

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1、离子掺杂对宽禁带半导体微纳米材料形貌和光学性质的调控王晓旭2015年1月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540离子掺杂对宽禁带半导体微纳米材料形貌和光学性质的调控作者姓名王晓旭学院名称材料学院指导教师邹炳锁教授刘瑞斌副教授答辩委员会主席李志远教授申请学位工学博士学科专业材料科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月IonsDopingandMorphologyInfluencesonOpticalPropertiesofWideBandedgeSemiconductorsMicro/nanostructureCandidateName：XiaoxuWang

2、SchoolorDepartment:MaterialScienceandEngineeringFacultyMentor:Prof.BingsuoZouandAssociateProf.RuibinLiuChair,ThesisCommittee：Prof.ZhiyuanLiDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：MaterialScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan,2014研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在

3、指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要宽禁带半导体材料作为第三代半导体材料，其具有较大的禁带宽度（禁带宽度一般大于或等于2.3eV）、小介电常数、辐射能力强和高的电子迁移率，常用作紫光、蓝光、绿光和白光的发光二极管和高频、大功率、耐高温、抗辐射器件的理想材料。掺杂特定离子在宽禁带半

4、导体中可以对材料进行改性，调制材料的光学、电学和磁性性质，甚至可以调制材料的形貌。本文利用化学气相沉淀法制备出了几种离子掺杂的宽禁带半导体一维材料，并对其光学性质及应用进行了探索。具体研究内容如下：一、采用氢气辅助的化学气相沉积法制备出了Zn掺杂CdS纳米带，通过XRD证明样品没有杂相峰，Zn是掺杂在CdS纳米带中的，而不是合金的形式。室温光致发光（PL）光谱中，在510nm处存在一个绿色发光峰，在600nm处存在一个红色发光峰，两种颜色的发光混合最终表现为黄色发光。通过不同的Zn离子掺杂浓度和不同的激光激发强度，可以对Zn掺杂CdS纳米带的绿色发光峰与红色发光峰的强度比值进行调制

5、，从而在黄光区域对样品发光的主波长进行精细的调制。在合适的Zn掺杂浓度和激光激发强度下，可以得到荧光强度很强的、波长位于589nm钠黄光处的黄色发光，是一种潜在的黄光材料。在800nm的飞秒激光的激发下，出现了双光子激发发光，并且通过对比Zn掺杂CdS纳米带与纯的CdS纳米带的绿色发光部分随激发功率变化的阈值曲线，表明Zn掺杂可以降低CdS纳米带带边发光的阈值。二、基于Zn掺杂CdS纳米带的发光颜色随着激发功率变化而变化的性质，单基片Zn掺杂CdS纳米带可用于可视化的激光功率探测器以及在微纳米尺度检测激光光斑的强度分布情况。Zn掺杂CdS纳米带的两个发光峰的强度比值会随着入射激光激

6、发功率的增加而单调增加，所以激光功率和聚焦光斑的分布可通过单基片纳米带来探测。另外，为了证明单基片Zn掺杂CdS纳米带的稳定性，我们调节激光功率从最大到最小并重复两千次作用在单基片Zn掺杂CdS纳米带样品上，单基片的发光强度几乎没有变化并且发光颜色从橘黄色变为绿色。因此，单基片Zn掺杂CdS纳米带在光集成微型电路中具有激光功率探测器的潜在应用价值。三、将ZnS和MnS的混合粉末在氢气辅助的条件下，用化学气相沉积法制备出了，在白光照射下的具有周期性“彩带”图案的单根ZnS纳米带结构。通过XRD、SEM、扫描近场光学显微成像（SNOM）、EDS和拉曼光谱等测试，表明沿着周期性I北京理工

7、大学博士学位论文“彩带”图案的ZnS纳米带的轴向方向其表面呈现出厚度的周期性变化。而形成纳米带表面厚度周期变化的原因，可能是由于生长过程中较多的MnS参与反应，在初期形成ZnS:Mn纳米带一维结构，随着反应温度和反应时间的增长，Mn离子在ZnS纳米带中发生一定程度的聚集产生相分离，并可能形成ZnS和ZnS+MnS两个大致不同的部分，并且可能呈现一定的周期排布，随后的生长速度发生变化，从而形成了表面厚度周期起伏的ZnS纳米带结构。最后，对ZnS纳米带的共振发光性质进行了