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而可見光的峰值卻先增加后減小，峰值朝著長波方向移動。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小時后自然冷卻，四個玻璃片上表面都覆蓋一層棕黃綠色薄膜，115℃下烘一小時，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，紫外可見光強度明顯減弱。雖然Al濃度2%時紫外光發(fā)射最強的但近帶邊發(fā)射強度最弱，與只含Co的ZnO納米薄膜相比，紫外光強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，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)生的電子載流子強度降低。因此Al含量為7%時，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位置間的兩個峰之間距離是117meV，相當(dāng)于2個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兩個位置的峰值，NBE的強度，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。通過實驗發(fā)現(xiàn)Co和Al的比例為1時，ZnAlCoO納米薄膜的近光帶光強，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。