发光和氧化锌的结构增加了物理气相沉积

文摘

纳米氧化锌是沉积在不同的基质(Si、SiO₂和非盟/ SiO₂)一个增强的物理气相沉积技术,提出了良好的发光性能。该技术包括在水平石英管反应器使用超高纯度的锌和超高压氧气作为前体。的形态和结构氧化锌生长在这个电子显微镜和x射线衍射研究了工作。XRD模式揭示了高度结晶相的纤锌矿型多晶结构,优先(1011)发展方向。室温阴极发光研究显示两个特性的发光性能的氧化锌通过这种技术,第一次为中心的高强度窄峰值390海里(~ 3.2 eV)对应于结构附近的排放,其次,一个广泛的高峰集中在517海里(2.4 eV),相关的典型green-yellow发光,无意中掺杂氧化锌。

1。介绍

氧化锌已被越来越多的关注的对象在过去十年中,由于其潜在的应用在电子和光电。氧化锌是一种宽带隙半导体与六角晶体结构(纤锌矿型)~ 3.3 eV的直接带隙。直接宽带隙半导体材料,氧化锌对应用程序吸引了太多的关注,如紫外探测器、太阳能电池、发光二极管和激光二极管(1,2]。一些技术已经采用合成氧化锌纳米结构,如摘要化学汽相淀积(金属)3)、微波等离子体沉积(4),水热合成5- - - - - -7),电化学沉积8- - - - - -11),和超声喷雾热解法12]。然而,物理气相沉积(PVD)技术是一种简单的、可再生的、低成本的方法,可以扩大和用于生产各种纳米结构,如纳米线、纳米带nanohelixes, nanorings, nanoneedles [13- - - - - -16]。

在这个工作中,纳米氧化锌已种植在不同的基质(Si、SiO₂和非盟/ SiO₂)通过物理气相沉积技术;获得的纳米结构表和斑块。

2。实验的程序

氧化锌的物理气相沉积的示意图设置如图1。反应堆由石英管加热three-zone卧式炉。船与高纯锌被放置在第一个夸脱管、带和一艘拥有基质(硅片、熔融石英磁盘和熔融石英磁盘)案是放置在区域2。

这项工作中所使用的石英管是2.5′′管,但是这个系统允许改变管的大小从而能够扩大存款。这个PVD方法而不是需要低压设置工作,它可以在大气压存款所需的样品。正常的PVD方法使用氧化锌目标这个改善PVD方法使用锌目标和高纯氧气体反应物。这个系统允许掺杂样品用不同的材料(如铝、Ag),)。

下列反应发生在石英管:

金层(~ 50 nm)沉积在1′′直径熔融石英衬底通过溅射,热处理后在900°C。这个过程使黄金电影形式分散~ 100 nm大小岛屿作为催化剂和氧化锌纳米棒的成核点。

一旦包含基板的船(Si、SiO₂和非盟/ SiO₂)和锌(~ 1.5 g)被放置在石英管,管氩辉煌而被疏散的机械泵1 Pa。温度增加,当中央区域的管达到900°C,氩冲洗和疏散停止,并开始通过超高压氧气流2.5′′直径管(sccm 200 ~ 7000 Pa)。此时反应堆的入口处温度为600°C,和锌开始蒸发。蒸汽是通过一个内部3/4′′氩石英管的直径(~ 200 sccm)。当锌蒸气达到区域2中,在900°C,它已准备好与氧气反应流动的环形空间。锌和氧气反应表面的衬底产生氧化锌。增长保持15分钟左右。船与衬底和存款(氧化锌)迅速移动到最冷的反应堆使用磁操纵者的一部分。系统冷却到室温后,船的反应堆。然后,氧化锌样品存储供以后分析。

阴极发光(CL)在测量JEOL地产6300扫描电子显微镜配备了CL系统。使用下列条件:加速电压5 kV,电子束电流300 pA,狭缝宽度0.12毫米,光斑大小2×1.5μm。x射线衍射测量是使用D500西门子衍射仪的10 70度位置2在室温下。使用下列条件:加速电压5 Kv,电子束电流300 pA,与0.12毫米,狭缝和光斑大小2×1.5μm。

3所示。结果与讨论

氧化锌/ Au / SiO的晶体结构₂特点是使用XRD如图2。尖锐的衍射模式表明,样品展览六角氧化锌(10多晶结构,优先发展方向11),与晶格常数一个和,据JCPDS (36 - 1451)。谢勒公式用于计算的微晶尺寸,由以下公式给出: 在哪里是常数,应用在弧度,使用x射线的波长,1.5406一个,然后呢是布拉格角,它是18.1°。计算值为0.9。氧化锌纳米结构的微晶尺寸计算(D)大约是50 nm。二次电子图像的氧化锌生长在这个工作图所示3。氧化锌的形貌生长在Si (100) (a)和(b) SiO₂非常相似,主要是矩形斑块(平面平均40尺寸吗μ米长×10μm宽×1μ米厚)和纳米线,大约100 nm直径和超过100人μ米长。相比之下,氧化锌主要生长在非盟nanoislands显示棒和列,与维度之间的100和200 nm直径和长度在1和4之间μm。图4显示退火之后黄金液滴形成狭窄10 nm盟层大小的粒子分布在50到100纳米。结果发现,非盟滴促进氧化锌晶体生长和成核。这意味着,典型的氧化锌晶体结构存入SiO时提出₂,但在非盟的水滴,函数作为成核中心和催化剂,提高氧化锌的列增长。

此外,x射线衍射光谱证实了氧化锌增长了PVD技术显示了六角纤锌矿结构。阴极发光被用来进一步提高我们理解氧化锌结构的光学性质。图5显示了氧化锌的室温发光特性。CL光谱的三个样品表现出两大高峰,一个高峰在390纳米左右(~ 3.2 eV)乐队的边缘附近的材料和一个广泛的高峰集中在525 nm (~ 2.4 eV,典型的绿色排放)。这个绿色的排放是典型的绿色排放无掺杂或无意掺杂氧化锌是由于氧空位(V0⁺)[16- - - - - -18]。同时,Janotti和Van de机器人瓦力19)提出了一个模型在氧化锌氧气空位的形成能,建立一个绿色排放和氧气空位之间的关系。图6显示了氧化锌的单色CL图像在相同的位置。(一个),可以看到390海里排放来自平面,在(b),我们可以看到,“绿色排放”排放主要来自棒和电线。它给人的印象,床单和斑块等平面结构氧空位(V0少了⁺纳米棒等)比圆柱形结构。

4所示。结论

一种改进PVD方法生长高质量的纳米结构的氧化锌在不同基质被调查。这种方法非常简单;它可以在短时间内产生大量的氧化锌没有后来治疗热退火和可以产生更少的污染样品。x射线衍射证实了氧化锌增长了这种方法提供了一个六角纤锌矿型(10多晶结构,优先发展方向11)。这些结构是由于非盟滴促进这个取向氧化锌的典型的晶体取向(002)。这些结构也显示高强度发光紫外线(390米)和可见的区域在470到570纳米之间。发现氧化锌扁平结构如表和斑块显示更高的发光强度比氧化锌棒和电线。同时,在本研究发现可以实现选择性生长底物提供了定义良好的结构时,如黄金nanoislands前体(锌蒸汽和氧气)。

确认

作者欣然承认使用大学的设施内索诺拉(一致),亚利桑那州立大学(ASU),纳米科学和纳米技术中心(CNyN-UNAM)。本文已经被CONACYT部分支持墨西哥,项目没有。102671年。

引用

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