發(fā)布時間：2017-08-07 00:19

  本文關鍵詞：Cd摻雜ZnO的光學性質(zhì)及應用研究

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【摘要】：ZnO是一種重要的金屬氧化物半導體材料,是寬禁帶直接帶隙半導體材料,在室溫下,它的禁帶寬度約為3.37 e V,激子束縛能為60 me V。近些年來,ZnO的結構以及其潛在的廣泛應用(如壓電效應、光電子學、光催化、光電轉(zhuǎn)換與氣敏特性等)吸引了大量科研人員的研究興趣。ZnO在光學方面的性質(zhì)與應用倍受關注。人們在應用研究中發(fā)現(xiàn),本征ZnO半導體的性質(zhì)存在不足,但是大量的實驗研究表明,適當?shù)膿诫s可以改善本征體ZnO的光學性質(zhì),這對于ZnO光學性質(zhì)的研究具有重要的意義。本文從理論模擬計算和實驗兩個方面對Cd摻雜ZnO材料的光學性質(zhì)分別進行了理論基礎和潛在應用的研究。在理論研究方面,采用第一性原理計算的方法以Cd原子替位摻雜2×2×2超晶胞ZnO中的Zn原子,對本證ZnO和摻雜后的ZnO:Cd晶胞進行結構優(yōu)化,分別計算優(yōu)化后結構體系的能帶結構、態(tài)密度、布居數(shù)、介電函數(shù)以及吸收系數(shù),并且分析了其電子結構與光學性質(zhì)。結果表明,Cd摻入ZnO后,使得晶胞發(fā)生微小的膨脹;在-7 e V處出現(xiàn)很窄新能帶,導帶底下降,帶隙變窄;介電函數(shù)虛部整體紅移,低能區(qū)域的介電峰強度增加,高能區(qū)域的介電峰強度減小;在紫外區(qū)吸收邊發(fā)生紅移,且吸收系數(shù)有所增大。在實驗研究方面,以Zn(NO_3)_2·6H_2O和Cd(NO_3)_2·4H_2O為源材料,采用低溫水熱法成功的制備了ZnO和ZnO:Cd納米棒(其中Cd/Zn的摩爾比為0.02、0.04、0.06)。通過X射線衍射儀(XRD)和場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分別對樣品的晶體結構和表面形貌進行表征。將制備的樣品制成納米薄膜器件,利用分光光度計測試了納米材料薄膜器件在常溫環(huán)境中對1000 ppm的四種典型的還原性氣體(氫氣、乙醇、丙酮以及氨氣)的光學氣敏特性。結果表明,隨著Cd摻雜濃度的增加,ZnO的晶格常數(shù)a和c的值逐漸增大,這與理論計算的結果相符;Cd摻雜前后的ZnO納米材料均為六角纖鋅礦結構的納米棒;ZnO:Cd納米棒比表面積更大;在室溫下,Cd摻雜前后的ZnO對氨氣的選擇性最好;純ZnO納米材料薄膜器件對氫氣不敏感,其靈敏度僅為1.002,對乙醇和丙酮較為敏感,靈敏度分別為1.031和1.041,而對氨氣的靈敏度最高達到了1.245;Cd摻雜后,納米材料薄膜器件對所有的測試氣體敏感性都有所增強;特別地,當Cd摻雜濃度為2%時,2%ZnO:Cd納米材料薄膜器件對氫氣、乙醇、丙酮和氨氣的敏感性最強,其靈敏度分別達到1.08、1.211、1.114和1.786。
【關鍵詞】：ZnO Cd摻雜 光學性質(zhì) 光學氣敏特性
【學位授予單位】：重慶師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ132.41
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 緒論11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 ZnO材料的研究現(xiàn)狀11-13
• 1.3 ZnO材料的基本性質(zhì)13-14
• 1.3.1 ZnO晶體的基本結構13
• 1.3.2 ZnO晶體的物理性能13-14
• 1.4 本論文的立題依據(jù)、創(chuàng)新點與研究內(nèi)容14-17
• 1.4.1 立題依據(jù)14-15
• 1.4.2 研究內(nèi)容15-16
• 1.4.3 創(chuàng)新點16-17
• 2 第一性原理與實驗方法概述17-28
• 2.1 第一性原理概述17-21
• 2.1.1 絕熱近似17-18
• 2.1.2 密度泛函理論基礎18-21
• 2.2 相關理論及計算方法21-24
• 2.2.1 布拉赫定理21
• 2.2.2 平面波方法21-22
• 2.2.3 贗勢方法22-23
• 2.2.4 相關理論23-24
• 2.2.6 計算模擬軟件介紹24
• 2.3 ZnO實驗制備方法24-26
• 2.4 納米材料的表征26-28
• 2.4.1 X射線衍射儀的測試原理26-28
• 3 Cd摻雜對ZnO電子結構與光學性質(zhì)的影響28-36
• 3.1 模型構建與計算方法28-29
• 3.1.1 模型構建28-29
• 3.1.2 計算方法29
• 3.2 結構優(yōu)化與能帶分析29-32
• 3.2.1 摻雜前后電子結構分析29-30
• 3.2.2 摻雜前后能帶結構和態(tài)密度分析30-32
• 3.3 光學性質(zhì)分析32-35
• 3.3.1 光學性質(zhì)理論描述32-33
• 3.3.2 Cd摻雜ZnO前后光學性質(zhì)分析33-35
• 3.4 本章小結35-36
• 4 Cd摻雜對ZnO光學氣敏特性的影響36-50
• 4.1 水熱法制備ZnO和ZnO:Cd納米材料36-40
• 4.1.1 實驗設備與儀器36-37
• 4.1.2 實驗用品37-38
• 4.1.3 實驗工藝參數(shù)38-39
• 4.1.4 襯底的預處理及清洗39
• 4.1.5 納米材料的制備39-40
• 4.2 ZnO和ZnO:Cd納米材料的表征與分析40-42
• 4.2.1 材料晶體結構（XRD）的測試40-42
• 4.2.2 材料表面形貌(SEM)的測試42
• 4.3 ZnO和ZnO:Cd納米材料光學氣敏特性分析42-49
• 4.3.1 光學氣敏響應測試機理42-43
• 4.3.2 測試裝置的具體結構43-44
• 4.3.3 光學氣敏測試流程44-45
• 4.3.4 純ZnO納米材料對不同氣體的光學敏感特性分析45
• 4.3.5 不同摻雜濃度ZnO:Cd納米棒對不同氣體的光學敏感特性分析45-49
• 4.4 本章小結49-50
• 5 結論與展望50-52
• 5.1 結論50-51
• 5.2 展望51-52
• 參考文獻52-58
• 附錄：作者攻讀碩士學位期間發(fā)表論文及科研情況58-59
• 致謝59

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