發(fā)布時間：2018-11-14 13:56

【摘要】：ZnS是II-VI族一種非常重要的半導體材料,具有較好的光學和電學性能,在光電子器件、發(fā)光二極管、傳感器、探測器和化工等領域應用廣泛。對ZnS進行Mn摻雜得到的ZnS:Mn晶體材料的光學性能也十分優(yōu)異。尤其是不同納米結(jié)構的ZnS,由于量子限制效應,常會表現(xiàn)出不同于體材料的新穎特殊的光電性能。本文首先在Si上利用脈沖激光沉積(PLD)法和水熱法分別生長了ZnS、ZnS:Mn薄膜及其納米結(jié)構材料,研究了不同生長條件對ZnS、ZnS:Mn的結(jié)構、形貌和光學特性的影響。然后又以GaN為襯底生長了ZnS:Mn薄膜及其納米顆粒,通過合理調(diào)節(jié)薄膜的生長參數(shù)和后退火處理條件,可以使ZnS:Mn/GaN復合體系發(fā)出白光。另外,為了提高白光發(fā)射質(zhì)量,在中間插入一層ZnO薄膜或Zn O納米棒,得到了發(fā)射白光性能較好的ZnS:Mn/ZnO/GaN復合膜體系及其核殼結(jié)構的納米棒陣列,并初步研究了ZnS:Mn/ZnO/GaN核殼陣列器件的電致發(fā)光特性。最后在石英襯底上生長了ZAZ(ZnS/Au/ZnS、ZnS/Au/ZnO)三層膜,研究了三層膜的光學和電學性能。具體內(nèi)容如下:1、以Si(100)為襯底,利用PLD技術在不同制備條件下生長了ZnS、ZnS:Mn薄膜。采用XRD、AFM、SEM及PL技術,分別研究了ZnS、ZnS:Mn薄膜的結(jié)構、形貌和發(fā)光特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),制備得到的ZnS薄膜是多晶,在425nm和445nm左右有兩個發(fā)光峰。當襯底溫度從室溫到400℃時,生長的ZnS:Mn也是多晶,當襯底溫度升高到500℃和600℃時,生長的ZnS:Mn薄膜近似單晶,在28.5°附近有一個較強的衍射峰,歸屬于立方β-ZnS薄膜的(111)晶向。當襯底和退火溫度升高時,衍射峰都變強,說明ZnS:Mn薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到改善。另外,ZnS:Mn的光致發(fā)光特性受溫度的影響也較大。590nm左右歸因于Mn2+4T1?6A1發(fā)射的橙紅光隨溫度升高而逐漸增強,同時峰位發(fā)生藍移。2、在不同條件下,利用水熱法在Si(100)上制備了ZnS納米結(jié)構。發(fā)現(xiàn)用Zn(NO3)2·6H2O作為Zn源、SC(NH2)2作為S源得到的ZnS球狀顆粒的發(fā)光性能較好�；诖�,我們研究了溶液濃度、生長溫度、有無種子層對ZnS球狀顆粒的晶體結(jié)構和發(fā)光性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在不同制備條件下,所有樣品的發(fā)光譜都覆蓋了400~700nm的可見光區(qū)域,由中心位于520nm的綠色發(fā)光峰和570nm的肩峰組成。當溶液濃度為0.03 mol/L,生長溫度為140℃時,ZnS球狀顆粒的發(fā)光最強。然而,對于在ZnS種子層上生長的ZnS納米顆粒,中心發(fā)光峰位藍移到500nm左右,發(fā)光強度減小。另外,以四水合乙酸錳Mn(CH3COOH)2·4H2O作為摻雜的Mn源,還制備了ZnS:Mn納米結(jié)構,對其發(fā)光特性受Mn摻雜濃度的影響進行了研究。SEM顯示其表面形貌也為球形顆粒,和純凈ZnS相比,摻入Mn之后,平均粒徑減小。當摻雜濃度變大時,衍射峰有移向小角度現(xiàn)象。隨著Mn的摻雜濃度從0.5%增加到2%,580nm左右與Mn相關的4T1-6A1發(fā)射強度增大,超過2%時,發(fā)光強度反而降低。3、利用PLD技術在GaN襯底上制備了ZnS:Mn薄膜,對ZnS:Mn/GaN復合體系發(fā)光特性受襯底溫度和退火溫度的影響進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),ZnS:Mn/GaN復合體系的PL譜包括600nm左右的橙紅色發(fā)光峰和440nm附近的藍色發(fā)光峰,適當調(diào)整藍光和紅光發(fā)射強度的比例,ZnS:Mn/GaN復合體系可以發(fā)射出白光。但要想得到質(zhì)量較高的白光發(fā)射,根據(jù)紅綠藍三基色疊加的原理,必須使復合體系中的綠光發(fā)射出來,為此,利用ZnO可以發(fā)射550nm的深能級發(fā)射的有利條件,在GaN和ZnS:Mn之間插入ZnO薄膜或ZnO納米棒,得到ZnS:Mn/ZnO/GaN復合膜體系及其核殼陣列結(jié)構。使得ZnS:Mn/ZnO/GaN的發(fā)光覆蓋了從紫外到紅光的整個區(qū)域(350~700nm),色坐標分別為(0.3103,0.3063)和(0.3347,0.318),非常接近標準白光區(qū)域(0.33,0.33)。這說明制備得到的ZnS:Mn/ZnO/GaN核殼結(jié)構陣列器件可以發(fā)射出較強的白光。另外,用水熱法在GaN襯底上生長了ZnS:Mn納米顆粒,詳細研究了其結(jié)構和光致發(fā)光特性。研究發(fā)現(xiàn),ZnS:Mn/GaN納米顆粒結(jié)構的PL譜由三個發(fā)光峰構成,分別是來源于GaN的440nm藍光,歸因于ZnS帶隙中的S空位能級電子(中性施主)與Zn空位能級空穴(中性受主)的復合引起的500nm附近綠光,以及來源于Mn離子的4T1-6A1躍遷產(chǎn)生的580nm的橙黃光。通過CIE分析,其發(fā)光色坐標為(0.3319,0.3196),也接近于白光發(fā)射。另外,還初步研究了ZnS:Mn/ZnO/GaN核殼結(jié)構的納米棒陣列器件的電致發(fā)光特性,發(fā)現(xiàn)在正向電壓下,EL譜由415nm左右的藍紫光和610nm附近的橙紅光組成,且隨著激勵電壓的增大,發(fā)光增強。EL譜的色坐標都和標準白光非常接近。通過擬合分峰處理發(fā)現(xiàn)EL譜實際上由400、430、570和630nm這四個發(fā)光帶構成。對于該異質(zhì)結(jié)器件的具體發(fā)光機制及其實用性還需要進一步探索。4、利用PLD技術在透明石英上生長了ZnS/Au/ZnS三層膜結(jié)構,詳細研究了金屬Au層厚度、ZnS層厚度、襯底溫度和退火溫度等因素對ZnS/Au/ZnS光電性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),Au層膜厚對三層薄膜的載流子濃度和面電阻影響最大。當Au層和ZnS層厚度分別為10nm和60nm時,薄膜的品質(zhì)因數(shù)最高為3.34×10-3Ω~(-1),此時三層薄膜在400~800nm的平均透過率為81%,面電阻為36.4Ω/sq,載流子濃度為1.91×1021cm-3。通過研究襯底溫度和退火溫度對ZnS/Au/ZnS三層薄膜光電性能的影響發(fā)現(xiàn),室溫下制備得到的三層薄膜光電性能最優(yōu),而在適當?shù)臏囟认峦嘶鹂梢蕴岣咂涔怆娦阅�。�?00℃退火后,三層薄膜的品質(zhì)因數(shù)為5.48×10-3Ω~(-1),透過率為82.7%,面電阻為27.3Ω/sq。另外,還初步研究了ZnS/Au/ZnO復合薄膜的光電性能。
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【學位授予單位】：曲阜師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1

【參考文獻】

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1 曹進;周潔;謝婧薇;陳安平;張雪;殷錄橋;張建華;;基于CdSe/ZnS量子點光轉(zhuǎn)化層的高穩(wěn)定性白光LED器件[J];光譜學與光譜分析;2016年02期

2 杜鴻延;魏志鵬;李霜;楚學影;方鉉;方芳;李金華;陳新影;王曉華;;表面修飾的ZnS:Mn量子點的發(fā)光性質(zhì)及其對生物分子的檢測[J];發(fā)光學報;2013年04期

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本文編號：2331351