Al，Co摻雜對ZnO納米棒光致發(fā)光的影響

摘 要：用水熱方法制備了Co，Al共摻雜的Zn0.95-xAlxCo0.05O （ZnAlCoO）納米棒陣列， 光致發(fā)光光譜顯示隨著Al濃度增加紫外峰值的位置向短波方向移動(dòng)而可見光的峰值卻先增加后減小，峰值朝著長波方向移動(dòng)。對上述現(xiàn)象進(jìn)行了討論其結(jié)果對綜合研究ZnO 納米結(jié)構(gòu)有重要意義。

關(guān)鍵詞：光致發(fā)光；CoAl共摻雜；光致發(fā)光

1 介紹

ZnO是II-VI族化合物有著壓電，傳導(dǎo)，光吸收及發(fā)射等性質(zhì)的直接寬禁帶半導(dǎo)體，ZnO薄膜成為一種很有前途的紫外光電子器件材料，摻雜是一種有效的方法來調(diào)節(jié)ZnO的能級和表面狀態(tài)，更能影響一維的ZnO納米材料的光學(xué)性能。由于Al摻雜造成ZnO表面的缺陷改變ZnO的光致發(fā)光性能，Co摻雜有助于ZnO產(chǎn)生磁性，Al摻雜ZnCoO使得帶系可調(diào)，因此研究CoAl共摻雜ZnO納米棒薄膜有一定意義。

2 Al，Co共摻ZnO納米棒的制備

0.1M的硝酸鋅，硝酸鈷，硝酸鋁混合溶液中加入氨水（25%）使其PH值為9。保持Co不變，四組溶液分別獲得Zn：Al的比值為93：2，94：1，89：6，88：7。均放到四個(gè)高壓釜中振蕩10分鐘后把有ZnO緩沖層面的玻璃朝上放入高壓釜中，蓋緊蓋放入70℃烘箱下保溫10小時(shí)后自然冷卻，四個(gè)玻璃片上表面都覆蓋一層棕黃綠色薄膜，115℃下烘一小時(shí)，記為ZCA2，ZCA4，ZCA5，ZCA7。樣品用Cu Ka在激光電壓為40kV，電流為50mA，PL（ LABRA-HR）光致發(fā)光，光致發(fā)光表征和分析。

上圖是光致發(fā)光圖，所有光譜都有近帶發(fā)光（NBE）和可見光（VL）兩部分，我們認(rèn)為近帶發(fā)光是由于激子或帶到帶的躍遷造成，可見光一般是由于深能級缺陷形成。Al含量從2%增加到5%時(shí)，紫外可見光強(qiáng)度明顯減弱。雖然Al濃度2%時(shí)紫外光發(fā)射最強(qiáng)的但近帶邊發(fā)射強(qiáng)度最弱，與只含Co的ZnO納米薄膜相比，紫外光強(qiáng)度與可見光之比有較大值1.303。這說明CoAl的共摻比只有Co摻雜會(huì)造成更多的深能級缺陷和激子淬中心。[1]Al摻雜含量從2%增加到7%而Co的含量保持不變的情況下，IUV/IVL先從1.303降低到0.040，然后增加到0101。（002）峰位置的變化趨勢與此一致。說明在Co含量不變的情況下，Al元素的加入增加了與之有關(guān)的深能級缺陷從而降低了紫外可見光的強(qiáng)度。與沒有Co摻雜只有Al摻雜的原理是不同的[2] 。

在CoAl共同摻雜的ZnO納米薄膜中，當(dāng)Al摻雜含量從2%增加到了5%，由于Burstein–Moss效應(yīng)，近帶邊發(fā)射的藍(lán)光明顯發(fā)生從388.7 到371.2 nm的藍(lán)移，應(yīng)該是由于Al摻雜使載流子濃度增加，填滿了導(dǎo)帶底部增加了Eg帶系所造成的。

Al含量增加到7%時(shí)，由于Al不純態(tài)的局域化濃度增加從而缺陷增加，也可能是Al不純產(chǎn)生的電子載流子強(qiáng)度降低。因此Al含量為7%時(shí)，近帶邊發(fā)射明顯紅移從371nm到373nm。在插入圖中能夠看到隨著增加Al的含量，較低的兩個(gè)光致發(fā)光峰分別在351.4nm（3.545eV） 和 358.6nm（3473eV）并且越來越清晰。兩峰值之間的距離是72meV相當(dāng)于一個(gè)LO聲子的能量。所以可以看到聲子躍遷造成3514nm的峰位。而在358.6nm和 371.2nm位置間的兩個(gè)峰之間距離是117meV，相當(dāng)于2個(gè)TO聲子的能量。所以在3514nm和358.6nm的峰分別是與2TO+LO和2TO有關(guān)的激子躍遷所造成。

3 結(jié)論

ZnAlCoO納米薄膜在光致發(fā)光譜中，我們發(fā)現(xiàn)了近帶發(fā)光（NBE）及可見發(fā)光（VL）峰以及 358.6nm和371.2nm兩個(gè)位置的峰值，NBE的強(qiáng)度，IUV/IVL ，Igreen/IVL隨著Al含量的增加均降低，這說明CoAl共摻雜比只摻雜Co的ZnO納米薄膜產(chǎn)生了更多的深能級缺陷和激子淬滅中心。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Co和Al的比例為1時(shí)，ZnAlCoO納米薄膜的近光帶光強(qiáng)，IUV/IVL 和Igreen/IVl均最小，有利于可見光發(fā)射。

Al含量繼續(xù)增加， X射線衍射（XRD）及近帶發(fā)光（VL）峰的發(fā)生藍(lán)移，說明Co和Al真的均摻雜進(jìn)ZnO納米薄膜的晶格中，這對ZnO納米薄膜和它的應(yīng)用有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] Shisheng Lin， Haiping Tang， Zhizhen Ye， Haiping He， YuJia Zeng， Binghui Zhao， Liping Zhu. Synthesis of vertically aligned Al-doped ZnO nanorods array with controllable Al concentration[J]. Materials Letters，2008，62 ：603–606.

[2] R. C. Wang， C. P. Liu， J. L. Huang， S. J. Chen， Appl. Phys. Lett，2006， 88， 023111.

作者簡介：李敏（1983-），女，山東泰安人，碩士，中國石油大學(xué)勝利學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院講師，研究方向：納米材料。