ZnO 微米棒制備及其偏振光學特性分析

白洋

（長春理工大學 理學院，吉林 長春130022）

1 概述

ZnO 作為一種重要的Ⅱ-Ⅵ族半導體材料，禁帶寬度為3.37eV，且具有激子束縛能大（60meV）、熔點高、對紫外光特別敏感等特點[1]；另外，ZnO 具有較高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，且其原料充足、價格便宜、制備方法多樣并且簡單。因而在紫外探測器方面也引起了關(guān)注，被大量研究；而且其摻雜容易，如摻雜稀土離子、過渡金屬，比如摻雜Eu3+可以實現(xiàn)紫外光到可見光的轉(zhuǎn)換；材料本身無毒無害，價格更低廉，且易實現(xiàn)大規(guī)模同質(zhì)外延[2]，比如可以制備ZnO 納米線陣列，ZnO 薄膜等等。現(xiàn)有制備不同維度ZnO 材料的方法有很多，比如水熱法，ALD 法，靜電紡絲法等等。而一維結(jié)構(gòu)ZnO 材料具有形貌各向異性這一有別于其他維度材料的物理性質(zhì)，然后我們通過實驗證實了其具有偏振發(fā)光特性，從而為其制作偏振光電探測器件打下一定基礎。

2 實驗部分

通過水熱法制備了ZnO 微米棒，具體方案如下：

首先稱量0.2523g 的HMT 并取15mL 純水配制12mmol L-1的HMT 和醋酸鋅的水溶液。

在室溫劇烈磁力攪拌下，將HMT 溶液分別緩慢加入到等體積等濃度的（0.03951g 醋酸鋅）二水合醋酸鋅的水溶液中。

混合溶液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯水熱反應釜內(nèi)，90℃條件下維持5h 之后自然冷卻至室溫。得到的白色沉淀物經(jīng)離心清洗后，加水稀釋至適量濃度，滴加在單晶硅襯底，干燥備用。

3 結(jié)果討論

3.1 形貌分析：用掃描電子顯微鏡分別對ZnO 微米棒的整體形貌和局部區(qū)域進行了表征，最后表征了分散的單根的微米棒，并計算出了長徑比。

單根微米棒的長約為10μm 左右，寬約為0.3μm 左右，長徑比約為33。

3.2 基本物性分析：如圖1 為ZnO 微米棒樣品的廣角XRD圖 譜 ， 從 圖 上 可 以 看 出 樣 品 在 2θ 角32.1，34.5，36.5，47.7，57.1，63.1，67，68.5，69.7，72.6 和77.6 出 現(xiàn)了氧化鋅的X 射線衍射峰，其所對應的晶面分別為（100），（002），（101），（102），（110），（103），（200），（112），（201），（004），和（202），所對應的PDF 卡片為JCPDS No. 75-1526，峰位對應匹配度高，可知制備的樣品結(jié)晶質(zhì)量良好。由于制備的ZnO 微米棒分布散亂，所以沒有特定的取向性。

圖1 ZnO 微米棒的XRD 圖譜

圖2 ZnO 微米棒的PL 光譜

用325nm 波長的光激發(fā)樣品，觀測到良好的紫外發(fā)光，中心峰位375nm，發(fā)光峰基本呈現(xiàn)高斯對稱（如圖2）。根據(jù)文獻中的報道，其應為來自自由激子輻射復合發(fā)光。由于選取的樣品為單根ZnO 微米棒，所以發(fā)光強度較弱。

3.3 偏振特性分析

我們研究的ZnO 微米棒的形貌各向異性依賴于一維結(jié)構(gòu)的長徑比。對于長徑比較小的一維結(jié)構(gòu)來說主要歸功于電磁場限域效應。

王健方等人在2001 年發(fā)表的文章中闡述了這一機理。

由于激發(fā)光的波長遠大于納米線的直徑，所以可以將納米線作為真空中無限長的介質(zhì)來定量的模擬這種效應。

即當入射場與圓柱體平行時，圓柱體的內(nèi)部電場不會減小，而垂直時，電場的振幅會有衰減[3]。

可以用公式（1）來說明，

根據(jù)具體材料的介電常數(shù)即可計算其偏振度。

我們設計如圖3 所示的光路來探測其偏振發(fā)光特性。偏振發(fā)光特性是指樣品被圓偏振光激發(fā)后的激發(fā)光的偏振度的研究。以波長為325nm 的He-Cd 激光器為光源，經(jīng)檢驗其激發(fā)光為線偏振光。

因此，在偏振發(fā)光特性分析實驗中，在光路激發(fā)光到達樣品之前加入四分之一波片，使激發(fā)光轉(zhuǎn)化為圓偏振光，之后再激發(fā)樣品。在樣品和光譜采集裝置之間分布加入水平和垂直偏振兩種檢偏片。

通過光學顯微成像調(diào)節(jié)樣品位置及方向，使垂直檢偏下，納米棒取向與檢偏片快軸方向平行（標記為0°，E//c），此時如果將檢偏片快軸調(diào)整為水平檢偏，則納米棒取向與檢偏片快軸方向垂直（標記為90°，E⊥c）。分別采集兩種情況下ZnO 微米棒的發(fā)光光譜。

圖3 偏振發(fā)光特性光路圖

利用圖3 所示的光路圖對ZnO 微米棒進行測試，得到一組E//c 和E⊥c 的PL 光譜，如圖4 所示。

可以發(fā)現(xiàn)，當偏振光的振動方向平行于樣品的c 軸時，樣品的發(fā)光強度較高，當偏振光的振動方向垂直于樣品c 軸時，樣品的發(fā)光強度很低，依據(jù)光譜數(shù)據(jù)，I//代入數(shù)據(jù)215，I⊥代入數(shù)據(jù)85，通過公式（1）計算出樣品的偏振度約為0.43。

所以ZnO 微米棒形貌的各向異性可以使其被激發(fā)出偏振光。

4 結(jié)論

圖4 E//c 和E⊥c 的PL 光譜

本文通過水熱法成功制備了形貌較為均一的ZnO 微米棒，通過掃描電子顯微鏡觀察到了其形貌較為均一；通過X 射線衍射實驗得知其結(jié)晶質(zhì)量良好；設計并搭建出了光路來表征其偏振發(fā)光特性，計算出了長徑比約為33 左右的ZnO 微米棒樣品的偏振度約為0.43，為其應用于偏振光的探測領(lǐng)域奠定了基礎。