摻雜納米氧化鋅的光學(xué)性能研究

郝星宇

（吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,人們正積極探索高效率半導(dǎo)體應(yīng)用材料。納米氧化鋅以納米材料和重要半導(dǎo)體氧化物兩方面的完美結(jié)合的特點(diǎn)吸引了廣大科研工作者。有很多研究者將光催化技術(shù)與生物處理、膜技術(shù)聯(lián)用進(jìn)行污水的深度處理，使得光催化技術(shù)在降解能力與回收利用方面都展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用潛力。

光催化劑經(jīng)過摻雜后可以提高光生載流子的分離效率、促進(jìn)強(qiáng)氧化活性基團(tuán)的生成以及增大與污染物分子的接觸機(jī)會(huì)，促使光學(xué)性能提高。

1 納米氧化鋅的制備和光學(xué)性能

目前制備氧化鋅納米粉體的方法已有很多,如均相沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、電弧等離子體法、噴霧熱解法、氣相沉積法等。

Wang等用熱氧化法制備了有強(qiáng)紫外光發(fā)射的氧化鋅粉體,M.Abdullah等以ZnO和聚合物復(fù)合并摻雜金屬Eu,制備了紅光發(fā)射的納米氧化鋅。

2 摻雜型納米氧化鋅的光學(xué)性能

2.1 Cu摻雜納米ZnO光學(xué)性能

取20g左右的ZnO粉末，放入碗中研磨，先后滴入PVA膠(7%-8%)20滴，攪拌，放入烘箱，在60-70℃溫度下烘烤4-5min。取2小勺烘干的ZnO粉末放入模具中，利用普通陶瓷壓機(jī)，在約5個(gè)壓力下壓成小園餅狀，取出。放入陶瓷纖維高溫?zé)Y(jié)爐中，去膠，取出。

用電阻率為3-59Ω·cm、n型硅Si片，稀HF酸浸泡15min去除二氧化硅，再用丙酮、乙醇、去離子水超聲波清洗，最后用氮?dú)獯蹈伞?/p>

因此以ZnO為原料，銅為摻雜元素，采用CVD，制備了銅摻雜納米Zn薄膜。發(fā)現(xiàn)銅摻雜對(duì)ZnO薄膜的光吸收和光發(fā)射以及表面伏安特性都有很大的影響。

隨銅含量的增加，光吸收強(qiáng)度明顯增大，光發(fā)射峰更加豐富。在10%-20%適當(dāng)摻雜量的情況下，此時(shí)電流明顯增大，但過多會(huì)引起缺陷會(huì)漏電。

2.2 Mn摻雜納米ZnO光學(xué)性能

采用SO2基片作襯底，用脈沖激光沉積法制備Zn1-xMnxO薄膜?；逑?5min。薄膜制備參數(shù)：本底真空度為10-5Pa時(shí)，通入氧氣，保持腔內(nèi)氧壓為1.0Pa；激光器出口能量為162mJ，重復(fù)頻率為5Hz；靶間距為80mm；基片溫度400℃；沉積時(shí)間2h。分別用ⅹ射線衍射分析了薄膜的晶體結(jié)構(gòu)；用AFM觀察薄膜的表面形貌；用ⅹ射線能譜分析了薄膜的成分；用型號(hào)為U-550 UV-VIS測(cè)量了薄膜的光吸收性能。

采用PLD法在SiO2基片上制備出了高質(zhì)量的Zn1-xMnxO薄膜。XRD測(cè)試表明Zn1-xMnxO薄膜具有（103）峰擇優(yōu)取向，薄膜中沒有顯示MnO相，Mn離子可能是以替位原子的形式存在于ZnO薄膜中。

EDX顯示PLD法制備的薄膜的成份與靶材成份基本一致，實(shí)現(xiàn)了溥膜的同組分沉積。薄膜吸收光譜的測(cè)試顯示出Mn離子的摻雜改變了ZnO薄膜的禁帶寬度，從而改變了ZnO薄膜對(duì)光的吸收性能。

2.3 稀土摻雜納米ZnO光學(xué)性能

（1）La3+摻雜納米氧化鋅

低溫水熱法成功合成了一系列La3+摻雜ZnO納米粒子，La摻雜后使納米氧化鋅粒徑變小。制備的納米ZnO為棒狀，La3+摻雜ZnO使其晶格發(fā)生了變化(100)晶面間距變大，使ZnO晶格膨脹。制備的棒狀ZnO納米微粒在波長(zhǎng)385nm處有很好的激子吸收,La3+摻雜ZnO增強(qiáng)了對(duì)紫外光的吸收，在382nm處有很好的激子吸收，帶隙(Eg)為3.246eV，與純ZnO相比較紫外吸收帶邊發(fā)生了藍(lán)移，帶隙變寬，且隨著La摻雜濃度的增加能隙逐漸變寬。

ZnO和La-Zn0樣品分別在403nm和447nm光激發(fā)下，表現(xiàn)為605nm和671nm的黃光和紅光發(fā)射，La摻雜濃度為2.0%時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度最大。

（2）Yb離子摻雜納米氧化鋅

以硝酸鋅和硝酸氫銨利用沉淀法制備氧化鋅粉體，用浸漬法制備摻雜產(chǎn)物。結(jié)果顯示，得到的納米ZnO及其Yb離子的摻雜產(chǎn)物在紫外光照射下有很好的光催化降解效果。雖然Yb離子對(duì)ZnO的能帶結(jié)構(gòu)影響較小，但適當(dāng)?shù)膿诫s能有效地提高ZnO降解功能，且相對(duì)成本低，無(wú)二次污染，催化效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此有一定的使用價(jià)值。

2.4 Sn摻雜納米ZnO光學(xué)性能

以ZnCl2和SnCl4·4H2O為原料，采用水熱法制得了具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Sn摻雜ZnO納米晶。

隨著摻雜濃度的増大，納米晶的平均粒度增加，晶體形貌由短棒狀向單錐和雙錐狀轉(zhuǎn)變，提高前驅(qū)液的pH值，所得樣品的形貌由長(zhǎng)柱狀向短柱狀轉(zhuǎn)變。在實(shí)驗(yàn)摻雜濃度范圍內(nèi)（1%和2%），Sn的摻雜只是改變納米ZnO的發(fā)光強(qiáng)度，對(duì)發(fā)光峰位置影響不大。

3 展望

目前對(duì)摻雜ZnO的光學(xué)特性的研究更多的是針對(duì)傳統(tǒng)的ZnO薄膜。納米ZnO材料優(yōu)異的光學(xué)性能越來(lái)越受到人們的重視,研究表明合適的金屬離子摻雜或?qū)⒕哂胁煌芗?jí)半導(dǎo)體納米粒子復(fù)合在一起均可以提高納米ZnO的光學(xué)性能，因此進(jìn)一步對(duì)不同納米ZnO的摻雜進(jìn)行研究顯得尤為重要。