摻雜納米氧化鋅的光學性能研究

郝星宇

（吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130000）

隨著半導體技術的發展,人們正積極探索高效率半導體應用材料。納米氧化鋅以納米材料和重要半導體氧化物兩方面的完美結合的特點吸引了廣大科研工作者。有很多研究者將光催化技術與生物處理、膜技術聯用進行污水的深度處理，使得光催化技術在降解能力與回收利用方面都展現了廣闊的應用潛力。

光催化劑經過摻雜后可以提高光生載流子的分離效率、促進強氧化活性基團的生成以及增大與污染物分子的接觸機會，促使光學性能提高。

1 納米氧化鋅的制備和光學性能

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紫外光發射的氧化鋅粉體,M.Abdullah等以ZnO和聚合物復合并摻雜金屬Eu,制備了紅光發射的納米氧化鋅。

2 摻雜型納米氧化鋅的光學性能

2.1 Cu摻雜納米ZnO光學性能

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，在約5個壓力下壓成小園餅狀，取出。放入陶瓷纖維高溫燒結爐中，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，最后用氮氣吹干。

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。發現銅摻雜對ZnO薄膜的光吸收和光發射以及表面伏安特性都有很大的影響。

隨銅含量的增加，光吸收強度明顯增大，光發射峰更加豐富。在10%-20%適當摻雜量的情況下，此時電流明顯增大，但過多會引起缺陷會漏電。

2.2 Mn摻雜納米ZnO光學性能

采用SO2基片作襯底，用脈沖激光沉積法制備Zn1-xMnxO薄膜。基片清洗15min。薄膜制備參數：本底真空度為10-5Pa時，通入氧氣，保持腔內氧壓為1.0Pa；激光器出口能量為162mJ，重復頻率為5Hz；靶間距為80mm；基片溫度400℃；沉積時間2h。分別用ⅹ射線衍射分析了薄膜的晶體結構；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；用型號為U-550 UV-VIS測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量的Zn1-xMnxO薄膜。XRD測試表明Zn1-xMnxO薄膜具有（103）峰擇優取向，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，實現了溥膜的同組分沉積。薄膜吸收光譜的測試顯示出Mn離子的摻雜改變了ZnO薄膜的禁帶寬度，從而改變了ZnO薄膜對光的吸收性能。

2.3 稀土摻雜納米ZnO光學性能

（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385nm處有很好的激子吸收,La3+摻雜ZnO增強了對紫外光的吸收，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生了藍移，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光激發下，表現為605nm和671nm的黃光和紅光發射，La摻雜濃度為2.0%時，發光強度最大。

（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物。結果顯示，得到的納米ZnO及其Yb離子的摻雜產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ZnO的能帶結構影響較小，但適當的摻雜能有效地提高ZnO降解功能，且相對成本低，無二次污染，催化效率高等優點，因此有一定的使用價值。

2.4 Sn摻雜納米ZnO光學性能

以ZnCl2和SnCl4·4H2O為原料，采用水熱法制得了具有六角纖鋅礦結構的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變，提高前驅液的pH值，所得樣品的形貌由長柱狀向短柱狀轉變。在實驗摻雜濃度范圍內（1%和2%），Sn的摻雜只是改變納米ZnO的發光強度，對發光峰位置影響不大。

3 展望

目前對摻雜ZnO的光學特性的研究更多的是針對傳統的ZnO薄膜。納米ZnO材料優異的光學性能越來越受到人們的重視,研究表明合適的金屬離子摻雜或將具有不同能級半導體納米粒子復合在一起均可以提高納米ZnO的光學性能，因此進一步對不同納米ZnO的摻雜進行研究顯得尤為重要。