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（Mg，Co）共掺杂ZnO薄膜的形貌调控及性能研究

作　者: 孙侠
导　师: 刘艳美
学　校: 安徽大学
专　业: 材料学
关键词: ZnO纳米棒阵列 ZnO纳米晶薄膜 (Mg,Co)共掺杂水热法室温铁磁性
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

ZnO是一个有着极大潜力的半导体材料,有许多实际方面的应用,如压电式转换器、表面声波器件、光波导管、变阻器、透明导电氧化物、自旋功能器件和紫外光发射器等。室温下的禁带宽度(3.37eV)使其成为一种在紫外或蓝光谱范围的光激发性应用的候选材料,同时高的激子束缚能(60meV)允许其在室温下有着高的激子发射。最近研究发现,ZnO通过掺杂可以获得一系列的性质,包括从金属到绝缘(n型-p型电导),高透光性,宽带隙半导体、室温铁磁性等。例如通过Mg或Cd的掺杂调节带隙,过渡金属(Fe、Co、Ni等)掺杂获得室温铁磁性,掺杂ⅢA族元素获得n型导电体,掺杂ⅠA和ⅤA族元素获得P型导电体。本文用水热法在ZnO种子层上制备了系列(Mg,Co)共掺杂和单一掺杂的ZnO薄膜样品,并对其形貌结构以及光学和磁学性质进行了研究。主要研究内容和成果概括如下：1、利用水热法制备了Co和Mg共掺的Zn0.95-xCo0.05MgxO(x=0.05-0.35)薄膜,获得了单晶纳米阵列的薄膜,研究了Mg掺杂对氧化锌纳米棒结构形貌及光学和磁学性质上的影响。SEM和XRD分析表明,高浓度的Mg掺杂有助于ZnO纳米棒的成核和生长,导致薄膜形貌的改变。从反射谱和透射谱测量中看到,改变Mg掺杂含量可以调节薄膜的带隙,而且PL谱仅仅出现了一个宽的可见光发射带。磁性测量表明所有样品都具有室温铁磁性。2、系统地研究了反应溶液中柠檬酸钠的加入量对Zno.85Co0.05Mg0.100薄膜结构、形貌、光学和磁性的影响。SEM图分析表明,柠檬酸钠可以对薄膜的形貌进行调制,从倾斜的纳米棒到直立的纳米棒再到水平纳米片、直立纳米片晶。XRD显示了反应溶液中改变柠檬酸钠的量可以调节薄膜的择优生长方向,实现从[001]方向经[101]方向到[100]方向的演变。从薄膜的透射谱中观测到随着反应溶液中柠檬酸钠的加入量的增加,薄膜的带隙有增大的趋势,说明柠檬酸钠可以促使掺杂剂进入ZnO晶格。最后,振动样品磁强计(VSM)测量显示了所有样品都具有室温铁磁性。3、比较分析了(Co,Mg)共掺和Co(或Mg)单一掺杂ZnO纳米品薄膜的结构、光性及磁性质,研究了不同掺杂剂对ZnO薄膜结构和光学及磁性质的的影响。XRD分析表明掺杂元素影响着柠檬酸钠对ZnO薄膜生长方向的调控作用,Mg元素的掺入阻碍了ZnO晶粒的沿[100]方向的择优生长以及Co的掺入更加有利于ZnO薄膜沿[100]方向的择优生长,然而(Mg,Co)共掺比Co或Mg单一掺杂更加有助于ZnO薄膜沿[100]方向择优生长。PL谱揭示了掺杂能减小缺陷发光,提高了晶体的完整性,而透射谱显示了Co和Mg掺杂剂都可以使薄膜的带隙增大。通过磁性测量也发现掺杂剂可使薄膜的饱和磁化强度增强而且所有样品都呈现出室温铁磁性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-27
  1.1 引言  10-11
  1.2 ZnO基本性质  11-16
    1.2.1 ZnO薄膜的晶体结构  11-14
    1.2.2 ZnO薄膜的能带  14-15
    1.2.3 ZnO薄膜的缺陷能级  15-16
  1.3 掺杂ZnO性质的研究  16-19
    1.3.1 光电学性质  16-17
    1.3.2 磁学性质  17-19
  1.4 ZnCoO薄膜研究概况和ZnMgO薄膜研究现状  19-22
    1.4.1 ZnCoO薄膜的研究概况  19-20
    1.4.2 ZnMgO薄膜的研究现状  20-22
  1.5 本论文主要内容  22-23
  本章参考文献  23-27
第二章 ZnO薄膜的制备技术及表征  27-35
  2.1 ZnO薄膜的制备方法  27-29
    2.1.1 脉冲激光沉积(PLD)  27-28
    2.1.2 分子束外延(MBE)  28
    2.1.3 溶胶凝胶法(Sol-gel)  28
    2.1.4 水热法  28-29
  2.2 样品的分析与表征手段  29-33
    2.2.1 X射线衍射分析(XRD)  30-31
    2.2.2 X射线光电子谱(XPS)  31-32
    2.2.3 扫描电子显微镜(SEM)  32-33
  2.3 小结  33-34
  本章参考文献  34-35
第三章 Zn_(0.95-x)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列薄膜的研究  35-53
  3.1 引言  35-36
  3.2 反应溶液中加入0.9ml氨水制备的Zn_(0.95-X)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列薄膜  36-43
    3.2.1 Zn_(0.95-X)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒薄膜的制备  36-37
    3.2.2 Mg掺杂对Zn_(0.95-X)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列的形貌的影响  37
    3.2.3 Mg掺杂对Zn_(0.95-x)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列结构的影响  37-39
    3.2.4 Mg掺杂对Zn_(0.95-x)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列光学性质的影响  39-42
    3.2.5 Mg掺杂对Zn_(0.95-x)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列磁学性质的影响  42-43
  3.3 反应溶液中加入0.5ml氨水制备的Zn_(0.95-X)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列薄膜  43-49
    3.3.1 Zn_(0.95-x)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列薄膜的制备  43-44
    3.3.2 Mg掺杂对Zn_(0.95-x)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列的形貌的影响  44
    3.3.3 Mg掺杂对Zn_(0.95-x)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列的结构的影响  44-46
    3.3.4 Mg掺杂对Zn_(0.95-x)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列光学性质的影响  46-48
    3.3.5 Mg掺杂对Zn_(0.95-x)Co_(0.05)Mg_xO纳米棒阵列磁学性质的影响  48-49
  3.4 小结  49-50
  本章参考文献  50-53
第四章不同形貌Zn_(0.85)Co_(0.05)Mg_(0.10)O薄膜的研究  53-65
  4.1 引言  53
  4.2 不同形貌Zn_(0.85)Co_(0.05)Mg_(0.10)O薄膜的制备  53-54
  4.3 反应溶液中柠檬酸钠的加入量对Zn_(0.85)Co_(0.05)Mg_(0.10)O薄膜形貌的影响  54-55
  4.4 反应溶液中柠檬酸钠的加入量对Zn_(0.85)Co_(0.05)Mg_(0.10)O薄膜结构的影响  55-58
  4.5 反应溶液中柠檬酸钠的加入量对Zn_(0.85)Co_(0.05)Mg_(0.10)O薄膜光学性质的影响  58-61
  4.6 反应溶液中柠檬酸钠的加入量对Zn_(0.85)Co_(0.05)Mg_(0.10)O薄膜磁学性质的影响  61-62
  4.7 小结  62-63
  本章参考文献  63-65
第五章 (Co,Mg)共掺和Co(或Mg)单一掺杂ZnO纳米晶薄膜的比较研究  65-75
  5.1 Zn_(0.85)Co_(0.05)Mg_(0.10)O与Zn_(0.95)Co_(0.05)O、Zn_(0.90)Mg_(0.10)O和ZnO薄膜的制备  65-66
  5.2 不同掺杂剂对薄膜结构的影响  66-67
  5.3 不同掺杂剂对薄膜光学性质的影响  67-71
  5.4 不同掺杂剂对薄膜磁学性质的影响  71-72
  5.5 小结  72-73
  本章参考文献  73-75
第六章结论  75-77
致谢  77-78
攻读硕士期间发表的论文情况  78

（Mg，Co）共掺杂ZnO薄膜的形貌调控及性能研究

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