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Mg_xZn_(1-x)O合金材料的制备与光学性质研究

作　者: 闫鹏程
导　师: 薛冬峰; 李克艳
学　校: 大连理工大学
专　业: 化学工艺
关键词: MgxZn1-xO合金带隙光学性质离子交换溶胶-凝胶
分类号: TN304.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

ZnO是一种重要的半导体材料,在现实生活和科学研究领域都有很重要的应用。由于ZnO的禁带宽度为3.3eV,室温下的激子束缚能为60meV,所以ZnO是制备紫外发光二极管以及激光器的理想材料。由于Mg2+与Zn2+的离子半径相近,所以当一定量的Mg2+取代Zn2+时,在ZnO晶体内部产生的晶格失配程度很小,并且MgO的禁带宽度很大(7.7eV),可以实现ZnO能带在3.3-7.7eV范围内连续可调。本论文主要是以MgxZn1-xO合金材料为研究对象,从材料制备的新方法和新思路出发,通过液相合成法制备了MgxZn1-xO合金材料,实现了ZnO材料的带隙在一定范围内的连续可调。设计了一种利用离子交换制备MgxZn1-xO合金的液相反应路线。实验中考察了原料中不同的锌镁比例、反应时间对产物结构和光学性质的影响。从产物的紫外吸收谱图中可以看出,吸收边变化范围为390-369nm,带隙变化范围为3.16-3.37eV。在反应过程中存在最佳的反应时间使获得材料的带隙值最大。采用溶胶-凝胶法合成了MgxZn1-xO粉体材料。通过分析产物的光学吸收谱图,发现随着镁含量的逐渐增大,产物的紫外光谱吸收边逐渐蓝移,当x=0.7时与纯ZnO的吸收边波长相比较蓝移了50nm左右,带隙调节范围为3.01－3.41eV。实验过程中选取Mg0.5Zn0.5O为目标产物,重点考察了两种稳定剂(二乙醇胺和三乙醇胺)以及稳定剂与金属离子不同配比,退火温度对产物光学性质的影响。发现当稳定剂与金属离子的比值为1：1,热处理温度为550。C时,相同条件可以得到带隙值最大的合金材料。利用旋转涂膜的方法合成了MgxZn1-xO(x=0.1-0.4)薄膜,重点考察了不同的热处理方式对实验结果的影响。发现采用快速热处理方式(RTA)所获得薄膜产物的带隙值要大于采用传统热处理方式(CTA)所获得的薄膜产物,带隙值相差0.20eV左右,产物带隙调节范围为3.15-3.64eV。同时对比了相同实验条件下制备的MgxZn1-xO薄膜和其粉体材料带隙值,发现当原料中镁含量相同时,得到MgxZn1-xO薄膜的带隙值要明显大于其粉体材料。这些研究结果对MgxZn1-xO合金材料的大规模生产以及实现ZnO带隙的大范围连续可调具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
引言  8-9
1 文献综述  9-27
  1.1 研究背景  9-17
    1.1.1 ZnO的晶体结构及性能  10-13
    1.1.2 ZnO材料的制备方法  13-16
    1.1.3 ZnO的能带工程  16-17
  1.2 Mg_xZzn_(1-x)O合金材料的性质及研究进展  17-24
    1.2.1 Mg_xZn_(1-x)O合金材料的结构和性质  17-20
    1.2.2 Mg_xZn_(1-x)O合金材料的研究进展及面临的挑战  20-24
  1.3 Mg_xZn_(1-x)O合金材料的应用  24-26
  1.4 本论文的研究内容及意义  26-27
2 离子交换法制备Mg_xZn_(1-x)O合金材料  27-34
  2.1 实验部分  27-29
    2.1.1 实验原料  27
    2.1.2 实验装置  27-28
    2.1.3 实验过程  28-29
      2.1.3.1 碱式碳酸镁的制备  28
      2.1.3.2 Mg_xZn_(1-x)O合金材料的制备  28-29
    2.1.4 结构性能表征  29
  2.2 结果与讨论  29-33
  2.3 本章小结  33-34
3 溶胶-凝胶法制备Mg_xZn_(1-x)O合金粉体材料  34-43
  3.1 实验部分  34-35
    3.1.1 实验原料  34
    3.1.2 实验装置  34-35
    3.1.3 实验过程  35
    3.1.4 分析表征  35
  3.2 结果与讨论  35-42
  3.3 本章小结  42-43
4 Mg_xZn_(1-x)O合金薄膜的制备与表征  43-54
  4.1 实验部分  43-45
    4.1.1 实验原料  43
    4.1.2 实验装置  43-44
    4.1.3 实验过程  44-45
    4.1.4 分析表征  45
  4.2 结果与讨论  45-53
    4.2.1 不同热处理方式所得到的Mg_xZn_(1-x)O的结构和形貌表征  45-48
    4.2.2 不同热处理方式所得到的Mg_xZn_(1-x)O的光学性质研究  48-53
  4.3 本章小结  53-54
结论  54-55
参考文献  55-62
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  62-63
致谢  63-64

Mg_xZn_(1-x)O合金材料的制备与光学性质研究

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