過(guò)渡金屬Ni、Mn摻雜納米ZnO的制備及性能研究.pdf

1、ZnO作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料,具有比較高的激子束縛能(60meV)和禁帶寬度(3.37eV)。ZnO優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和靈活性使得其在光電探測(cè)器、氣體傳感器、生物傳感器、太陽(yáng)能電池、陶瓷等方面的潛在應(yīng)用很廣泛。向?qū)捊麕О雽?dǎo)體材抖中引入過(guò)渡金屬元素,可以明顯改變ZnO的光學(xué)、電性和磁學(xué)性質(zhì)。Ni和Mn屬于第ⅧB(niǎo)族過(guò)渡金屬,具有豐富的電子和與Zn2+近似的離子半徑,很容易進(jìn)入到ZnO的晶格中,進(jìn)而對(duì)基體材料的性能進(jìn)行調(diào)控。本文采用沸騰回流法成

2、功制備了Ni摻雜、Mn摻雜和Ni、Mn共摻雜納米粉體,利用XRD、FESEM、EDS和XPS等表征手段分析了摻雜樣品的結(jié)構(gòu)、形貌,以及摻雜元素在ZnO晶格中的化學(xué)價(jià)態(tài);利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜(UV-vis)和光致發(fā)光光譜(PL)進(jìn)而研究了樣品的光學(xué)性質(zhì);對(duì)樣品進(jìn)行了室溫鐵磁性能分析(FTFM),探究了摻雜樣品的磁性質(zhì)。
　　1.采用沸騰回流法制備了Ni摻雜(Ni:ZnO)納米粉體,考察并確定了合成的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。研究了不同摻雜濃度

3、的Ni:ZnO樣品的結(jié)構(gòu)、形貌、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明,Ni以Ni2+的形式存在于ZnO的晶格中,導(dǎo)致衍射峰紅移,晶胞參數(shù)減小,但是ZnO的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變。摻Ni后,樣品的形貌由紡錘體結(jié)構(gòu)變?yōu)榘魻?長(zhǎng)度和直徑略微增大。Ni:ZnO樣品的最大吸收波長(zhǎng)紅移,紫外發(fā)光峰沒(méi)有明顯的變化;由于氧空位缺陷(Vo)濃度的減少和非輻射過(guò)程的增加,導(dǎo)致500~650nm的綠光強(qiáng)度減弱甚至猝滅。3mol％Ni:ZnO樣品表現(xiàn)出室溫鐵磁性,是由于束

4、縛磁極彳的形成;摻雜濃度較大時(shí),樣品呈現(xiàn)順磁性,是由相互靠近的Ni2+-Ni2+產(chǎn)生反鐵磁性耦合所致。
　　2.采用沸騰回流法制備了Mn摻雜ZnO(Mn:ZnO)納米粉體,研究了不同摻雜濃度樣品的結(jié)構(gòu)、形貌、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明,在Mn:ZnO中Mn元素以+2價(jià)態(tài)存在。摻雜后樣品的形貌發(fā)生了明顯的變化,由長(zhǎng)約600nm、直徑200nm的紡錘形變?yōu)榱?00nm的六方狀小顆粒。Mn2+進(jìn)入到ZnO的晶格中,引起強(qiáng)烈的sp-d交換

5、,使得樣品的禁帶能量降低,最大吸收波長(zhǎng)紅移。摻雜樣品在～383nm處的紫外發(fā)光峰沒(méi)有明顯變化,位于500～650nm范圍的綠色發(fā)光射強(qiáng)度減弱,位于450nm處的一藍(lán)光發(fā)射峰增強(qiáng)。摻雜濃度為1mol％的樣品表現(xiàn)出微弱的鐵磁性,隨摻雜濃度的增大,樣品的鐵磁性受壓制,順磁性加強(qiáng)。
　　3.采用沸騰回流法制備了不同摻雜濃度的Ni、Mn共摻雜(Ni:Mn:ZnO)納米粉體。結(jié)果表明,共摻雜后樣品的形貌,由顆粒較大的紡錘形逐漸過(guò)渡為短小的棒狀