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本科生毕业论文(设计)

外文翻译

ZnO纳米/微米棒在Zn箔上的合成，结构和变温光致发光

摘要：

在氢氧化钠溶液中使用Zn箔作为源和基底，通过简单，低成本催化剂和无晶种的溶剂热法在Zn箔上制备纳米/微米棒。纳米/微米棒显示出良好的结晶质量并沿c轴生长，在Zn基底上随机分布并且大致垂直于Zn基底。通过分析峰值位置和带隙发射强度随温度的变化，获得两种不同的非辐射重组方法。在低温下，主要的非辐射过程是热效应，而在高温下，主要的非辐射过程是借助LO声子散射的结构性缺陷的热逸散。对ZnO纳米/微米棒在Zn箔上的非辐射复合过程的理解能为其在光电子领域的潜在应用提供有意义的信息。

关键词：晶体生长 发光 ZnO纳米/微米棒 变温光致发光 非辐射重组

1. 介绍

近几十年来，由于其独特的结构，物理和化学特性，诸如棒，线和带的低维度结构半导体已经引起了广泛的关注，并被用作未来电子和光电子学的基石。ZnO是众所周知的具有直接较宽带隙（E_g=3.37eV）和较大的激子结合能（60meV）的II-VI半导体，它显示近紫外发射，能用于太阳能电池、紫外线发射器、激光器传感器和场发射等领域。可以通过各种技术生长出具有低维结构的。可以从ZnO/P-Si和ZnO纳米线阵列/P-GaN异质结获得紫外光电致发光。通过使用简单的水热法在Al衬底上生长具有单个纳米壁的ZnO纳米网络，可以实现白光电致发光。基于具有低维结构的ZnO，研究出具有优越性能的太阳能电池，然而依然有一些问题诸如：高电压、高电阻、短寿命等，通过对获得的紫外线，白色电致发光和太阳能电池的研究提出了这一点。在低维材料的生长过程中，引入了许多缺陷和无意的杂质，阻碍了设备的性能，因此，较好地了解半导体中的缺陷和杂质的性质对于提高器件性能是非常必要的。变温光致发光谱可以提供丰富的关于内在重组过程和各种与带隙，缺陷和杂质有关的非辐射复合过程的信息。此外，直接生长在金属箔上的半导体可以降低半导体和衬底之间的接触电阻，并且由于良好的固有粘附性和电接触性，它可以使电子更容易从金属向半导体传输。

在现在的工作中，在氢氧化钠溶液中使用Zn箔作为源和基底，通过简单，低成本催化剂和无晶种的溶剂热法在Zn箔上制备ZnO纳米/微米棒。ZnO纳米/微米棒的变温光谱在10-300 K范围内测量，通过分析带隙发射和强度的演变，讨论基础物理机制，这些成果可能为其在光电领域的应用提供了一些有意义的信息。

二、实验

使用纯Zn箔（99.99％，1cmtimes;1cmtimes;0.1cm）作为源和基底，在丙酮和去离子水中超声清洗，将氢氧化钠（NaOH，0.2mol / L）溶于去离子水（30mL）中，并将溶液转移到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜，将预处理的Zn箔浸渍在NaOH溶液中，将高压反应釜密封并在180℃下保持10小时。然后，将高压反应釜冷却至室温，从高压反应釜中取出Zn箔，用去离子水和乙醇洗涤数次，在空气中干燥。为了消除对PL光谱的影响，将获得的样品在Ar气中在300℃下退火2小时。通过场致发射扫描电子显微镜（FE-SEM，JSM 6700 F），高分辨率TEM（HR-TEM，JEM-2100）和使用Cukalpha;作为X射线源（lambda;= 1.5406Aring;）的X射线衍射（XRD，Panalytical XPert Pro）对ZnO纳米/微米棒的形貌和结构进行了表征 ，吸收光谱由具有积分球检测器的UV-vis-NIR分光光度计（Shimadzu，UV-3150）获得。室温PL使用配有闭环氦低温恒温器（Janis CCS-100）和提供10K到300K连续变化的温度的数字温度控制器（LakeShore-325）的双光栅分光荧光计（HORIBA，FL3-22）测量。

三、结果与讨论

为了确定通过溶剂热法生长的样品的结构，XRD图如图1所示，从图1可以观察到两组衍射峰。位于31.6°、34.4°、36.2°、47.6°、56.6°、62.8°、66.4°、67.9°和69.1°分别指向衍射（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（200）、（112）和（201）六方结构ZnO反射面（JCPDS：03-065-3411），位于39.1°和43.3°的峰值分别对应于Zn基底（JCPDS：03-065-3358）的（100）和（101）反射面的衍射。我们可以获得一个frac14;3.23Aring;和c = 5.18的六角形格子通过以下方程：

(1)

这里的（hkl）是米勒指数,d_hkl是指晶面间距，与总体ZnO（a = 3.25和c = 5.21，JCPDS：03-065-3411）相比，获得的晶格常数与来自本体ZnO的晶格常数良好一致。

图1.ZnO纳米/微棒在Zn箔上的XRD图

图2（a）和（b）分别显示SEM和FE-SEM图像，从图2中我们可以看到，大量的ZnO纳米/微米棒随机分布在Zn基底上并且大致垂直于Zn基底，棒的直径为几十纳米至几微米，棒的长度为2-3mu;m。棒的横截面显示为六边形，图2（c）是ZnO棒的TEM图像。，插图中选择的区域电子衍射（SAED）图案表明良好的晶体质量，并且表明棒沿c轴生长，ZnO棒的HR-TEM图像如图2（d）所示，0.539nm和plusmn;0.283nm相邻条纹之间的晶格间距被清楚地识别，分别与六方晶ZnO的（002）面和（100）面的间距d一致。

图2.（a）SEM.（b）FE-SEM.（c）TEM和（d）ZnO纳米/微棒在Zn箔上的HR-TEM图像.插图：选择区域电子衍射图像

ZnO纳米/微米棒的的吸收显示如图3（a），从吸收光谱可以看出，吸收在420nm和300nm的范围内逐渐增加， ZnO纳米/微米棒的光学带隙可以通过应用Kubelka-Munk方法计算，该方法基于公式：

(2)

这里R是反射率，F(R )与消光系数成正比。通过绘制（F(R）hnu;）作为hnu;的函数，当（F(R)hnu;)²为零时根据eV中的能量坐标的截距来获得ZnO纳米/微米棒的光学带隙，因此光学带隙为3.44eV，即phi;360nm。如图3（a）的室温PL所示，分别观察到位于379nm（3.27eV）和474nm（2.62eV）的紫外线发射和蓝绿色发射，紫外发射与ZnO带隙的近带隙发射有关，其起源于游离激子通过激子 - 激子碰撞过程的重组，光学带隙和近带隙的差异为plusmn;0.17eV，蓝绿色发射归因于深层次发射，其涉及结构和内在缺陷，例如氧和锌空位以及氧和锌间隙等。

图3（a）吸收显示和室温PL.（b）ZnO纳米/微米棒在Zn箔上的变温PL.（c）发射能量和（d）强度与温度的关系

ZnO纳米/微米结构在Zn箔上的变温PL光谱如图3（b）所示。从变温PL光谱可以看出，蓝绿色发射的峰值位置不随温度变化，然而，带隙发射的峰值位置和强度取决于温度，随着温度从10K增加到300K，峰值位置确实显示红移，在图3（c）中可以观察到0.11eV的红移。 理论上，带隙随温度变化的变化可以通过Varshni关系来描述：

(3)

这里的E_g(0)表示0 K时的带隙能，alpha;是温度系数，beta;的值接近给定材料的德拜温度，根据方程式的拟合结果（3）如图3（c）中的实线曲线，与实验数据良好吻合，通过拟合过程获得的参数为E_g(0)=3.39470.0003 eV，alpha;= 0.2270.01 meV / K，beta;= 175.878.32 K.

图3（d）给出了峰值强度随着互逆温度的演变，如图3（d）所示，我们可以观察到，当其在10K和50K之间变化并且指数高于50K时，强度缓慢降低，这种现象表明在Zn箔中的ZnO纳米/微米棒中存在两种不同的非辐射复合途径。因此，我们考虑两步淬火机理，变温强度可以表示为：

(4)

这里I(T)表示T处的积分PL强度是0K的积分PL强度,A₁和A₂是非辐射转变速率与辐射跃迁速率的比率，E1和E2是热活化能。根据方程式（4）中，E₁和E₂的拟合值分别为570.6meV和5671.4meV,激活能量E₁远小于激子ZnO（60meV）的结合能，因此在低温下，捕获的激子不可能被去除。考虑到温度的影响（K_BT），这就意味着主要的非辐射过程是低温下的热效应，然而在高温下主要是非辐射性的过程是借助声子散射的结构性缺陷的热逸散。

四、结论

总之，我们通过简单，低成本，无催化剂和无晶种的溶剂热法在Zn箔上

制造ZnO纳米/微米棒，其使用Zn箔作为Zn² 源和基底，ZnO纳米/微米棒随机分布在Zn基底上，大致垂直于Zn基底，棒显示出良好的晶体质量并沿c轴生长。通过变温PL光谱的分析，获得了峰值位置和带隙发射强度的演变，并提出机理。了解ZnO纳米/微米棒在Zn箔上的非辐射复合工艺可以为其在电子和光电领域的应用提供有用的信息。

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