Mn^2＋掺杂对低温生长ZnS的形貌及光致发光性能的影响-论文.pdf

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1、Vo1．34高等学校化学学报No．92013年9月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES2O4O～2045MIl2+掺杂对低温生长ZnS的形貌及光致发光性能的影响王坤鹏，，翟化松，，章海霞，翟光美，董海亮，许并社，(1．太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原030024；2．山西省新材料工程技术研究中心，太原030024；3．太原理工大学材料科学与工程学院，太原030024)摘要以zn粉和S粉为原料，Au纳米颗粒为催化剂，采用低温(450℃)化学气相沉积法(CVD)，在Si(10

2、0)衬底上制备了未掺杂和Mn掺杂的ZnS微纳米结构．利用x射线衍射仪(XRD)、能量弥散x射线谱(EDS)、场发射扫描电子显微镜(SEM)和光致发光光谱(PL)等测试手段对样品的结构、成分、形貌和发光性能进行了分析．结果表明，所得ZnS样品均为六方纤锌矿结构，未掺杂的ZnS为微纳米球，在波长为450和463nm处有2个发光强度较大的蓝光峰；Mn掺杂ZnS为纳米线，在波长479和587nm处分别有1个微弱的蓝光峰和1个强度相对较大的红光峰．此外，还对ZnS微纳米结构的形成过程进行了探讨，并提出了可能的形成机理．关键词ZnS微纳米结

3、构；Mn掺杂；光致发光；化学气相沉积法中图分类号O614文献标志码AZnS是Ⅱ一Ⅵ族化合物中一种重要的直接宽禁带半导体材料，其禁带宽度为3．7eV，已被广泛应用于显示器、传感器和激光器J．由过渡金属离子或稀土类金属离子掺杂的ZnS晶体也已被广泛用作发光材料．由于材料的性能与其尺寸和形貌有关，随着纳米技术的发展，采用纳米级的材料制造纳米器件引起人们极大的兴趣，其中性能优异的ZnS纳米材料的制备成为当前研究的一个焦点J．以往关于ZnS纳米材料的研究主要集中于控制ZnS纳米粒子的大小、结晶度和掺杂状态等方面．近年来，一维(1D)ZnS

4、纳米结构如纳米线、纳米带、纳米电缆和纳米管等的制备与表征逐渐成为材料学家的研究热点．目前，大多数制备技术都是通过高温蒸发ZnS粉末来获得不同的ZnS纳米结构．Wang等¨利用氢辅助热蒸发ZnS粉末在镀Au的片上制得了纤锌矿ZnS纳米线，其蒸发温度达到900℃．Li和Wang在工作温度为1200oC并通氩气的条件下，通过热蒸发ZnS粉末，在Au作催化剂的si衬底上制备了纤锌矿型的ZnS纳米带．Liang等¨通过970℃高温下热蒸发ZnS粉末，在镀有Au薄膜的蓝宝石衬底上实现了纤锌矿ZnS多种纳米结构的大规模制备．Kar和Chaud

5、huri【173以ZnS粉末为原材料，利用热蒸发方法制备了ZnS纳米带和纳米线，并通过改变蒸发温度(850～1150℃)和氩气流量，实现了对产物形貌的调控．以ZnS为源的热蒸发方法虽然可以制备不同形貌的ZnS纳米结构，但由于ZnS的熔点(约1700℃)很高，致使该方法所需的工作温度较高(1000qC左右)．由于zn粉和s粉的熔点较低，分别为419℃和119℃，利用两者作前驱物制备ZnS纳米结构可以大幅降低热蒸发温度．Ge等副采用化学气相沉积法(CVD)，以zn粉、s粉和金属氯化物为前驱物在si片上合成了Zn：M(M=Mn，Cu或

6、co)一维纳米结构，虽然该工作中采用的热蒸发温度已有所降低，但仍高达750oC．Zhang等采用双温区电炉，以zn粉和s粉为原材料，用CVD法在一定的真空度(1×10以Pa)下制备了未掺杂的ZnS纳米带，保温时间为3h，将热蒸发温度降低到了450。【=．虽然收稿日期：2013-06-07．基金项目：国家自然科学基金(批准号：51002102)、山西省科技创新重点团队项目(批准号：2012041011)和太原理工大学引进人才基金项目(批准号：tyut—rc201264a)资助．联系人简介：许并社，男，博士，教授，博士生导师，主要从

7、事新材料及界面科学与工程方面的研究．E-mail：xubs@tyut．edu．cn王坤鹏等：Mn掺杂对低温生长ZnS的形貌及光致发光性能的影响掺杂ZnS微纳米结构的制备在基础理论和应用方面具有重要意义，但目前Mn掺杂ZnS微纳米结构的低温制备多采用溶液工艺，其产物主要为微纳米颗粒E2o，而采用低温CVD法制备掺杂ZnS微纳米结构以及掺杂对产物形貌和光学性能影响的研究很少．本文以zn粉和s粉为原材料，MnC1·4HO为掺杂剂，采用低温(450℃)CVD法，通过调控反应条件制备出了未掺杂的ZnS微纳米球和Mn掺杂ZnS纳米线，发现M

8、n掺杂对其形貌和发光性能具有重要影响，并提出了产物形貌的演化机理．1实验部分1．1试剂与仪器锌粉(纯度99．9％，天津市北辰方正试剂厂)，硫粉(纯度99％，天津市天力化学试剂有限公司)，氯化锰(MnC1·4HO，纯度99．9％，天津市光复精细化工研究所)均为分析