退火对欧盟掺杂ZnO纳米棒有序阵列薄膜结构和光致发光的影响

摘要

采用水热法在玻璃衬底上制备了Eu掺杂ZnO纳米棒有序阵列薄膜。XRD分析表明，在氢气中退火的薄膜的（002）衍射峰比在空气中退火的薄膜的（002）衍射峰更尖锐。扫描电镜显示，在氢气中退火的薄膜的纳米棒变短变宽。TEM结果表明，纳米棒为单晶，晶格间距为0.52 nm同意这一观点（001）水晶平面的间距-轴。室温光致发光（PL）显示，氢气退火的薄膜是最强的并且转向下波数。欧盟掺杂ZnO纳米棒阵列薄膜的点缺陷从到通过在氢气中退火。

1.导言

氧化锌是II-VI系列中的重要成员，具有宽带隙（3.37eV）和大的激子结合能量（60 mev）[1-5.]．此外，ZnO是环保材料之一，并且杂质掺杂的ZnO纳米晶体被可见光被可见光被适当的平板显示器，生物成像的浮能标签，诸如[6.]高质量II–VI半导体纳米晶体也成为掺杂光学活性杂质的材料。掺杂有发光中心的II–VI半导体纳米晶即使在室温下也能显示出高效的发光[7.-9.]．

稀土离子是一种独特的掺杂剂，因为它们在半导体主晶体中具有光学和磁性活性[10.]．预计在杂质掺杂ZnO中，量子约束载流子与杂质上的局域电子之间的强相互作用将产生有效的光致发光(PL) [11.那12.]．欧盟是一个有吸引力的掺杂剂，用于红色发射，在540-665 nm的范围内，欧盟相关的发光线被发现是结构质量和热循环的强大功能，在GaN的情况下[13.]．

另外，纳米棒薄膜具有一些有趣的性质。在各种合成方法中，水热法是有吸引力的，通过该吸附通过该吸引力，ZnO纳米棒可以以低成本制造[14.]．尽管已经产生了各种ZnO纳米结构，但在合成棒状Eu掺杂的ZnO阵列薄膜上已经执行了很少的工作。在我们的工作中，通过低温（70°C）水热合成，我们介绍了在ZnO种子上制备形态控制的欧掺杂的纳米棒ZnO阵列薄膜的无毒，大规模和低成本的方法还研究了层，以及退火气氛和欧盟掺杂对ZnO结晶取向和发光的影响：EU薄膜。

2.实验细节

2.1。ZnO种子层的制备

通过溶胶 - 凝胶旋涂法在玻璃基板上制备ZnO种子层。醋酸锌[zn（ch_3.COO）₂·2H.₂O]用作基本化学品。乙二醇单甲醚（c_3.H_8.O.₂）和乙醇胺（c₂H_7.否）分别用作溶剂和稳定剂。乙醇胺与乙酸锌的摩尔比为1：1，溶液的浓度为0.8mol / L.将得到的混合物在60℃下搅拌4小时，得到透明且均匀的溶液，然后在冷却至室温后用作涂层源。首先在洗涤剂中清洁玻璃基材，然后在甲醇和丙酮中使用超声波清洁剂，每次30分钟。最后，用去离子水冲洗玻璃基材并在烘箱中干燥。然后将涂布溶液滴到玻璃基板上，用KW-4A旋转涂布机以3000rpm旋转30秒。旋涂后，将薄膜在350℃下在炉中干燥20分钟，以蒸发溶剂并去除有机残留物。将该涂布/干燥过程重复三次，然后将薄膜插入管炉中并在550℃下在空气中退火2小时。

2.2。水热法薄膜生长

在室温下，在搅拌下将稀释的氨溶液滴入硝酸锌溶液中，并必要的欧盟₂O._3.溶解在稀释的hno中_3.。通过混合上述两种溶液，我们获得Au-Zn摩尔比为1：50的一个，其中硝酸锌为0.54g，溶液的体积为40ml。将具有种子层的玻璃基板浸入填充有所得溶液的Teflon内衬不锈钢高压釜中，然后将密封容器放入烘箱中以在70℃下加热5小时。将生长的薄膜用去离子水冲洗并在空气中干燥。

2.3。表征

在工作电压为40 kV、电流为40 mA的X 'Pert Pro X射线衍射系统上进行了晶体图解释，其中Cu K  ( nm) was used and scanned in a 2θ范围从15°到80°。通过FEI-SIRION扫描电子显微镜（SEM）研究了薄膜的表面形貌和厚度。在PHILIPS-CM200和JEM-2010型TEM上获得了透射电子显微镜（TEM）显微照片和选区电子衍射（SAED）图案。荧光光谱记录在330到800之间 室温下的波长为325 nm 氙灯（F-4500荧光分光光度计）的nm激发。

3.结果与讨论

3.1。结构与表面形态

数字1显示了在不同退火气氛下，水热合成法制备的ZnO晶种层沉积在玻璃衬底上的样品的XRD图谱。所有衍射峰均为六方纤锌矿结构( 纳米，   nm），未检测到任何杂质的峰。（002）反射明显增强，表明  - ZnO纳米晶体的XIS垂直于ZnO种子层的平面定向。还可以看出，当薄膜没有退火时（002）衍射峰是最强的，并且在氢气中退火的是第二，而在空气中退火是最后的。这些结果表明，使用本发明方法的制备的ZnO高度结晶。

此外，在我们的实验条件下，合成了ZnO的新型一维纳米峰阵列薄膜。欧盟掺杂ZnO纳米峰阵列薄膜的SEM显微照片如图所示2，在哪个数字2（a）那2（b）和2（c）分别代表样品的未退火、空气退火和氢气退火。从这些图片可以看出，纳米棒是垂直生长的，带有种子层。值得注意的是，当薄膜在氢气中退火时，纳米棒变短变宽。此外，纳米棒的典型EDS图谱表明薄膜由Zn、O和Eu组成，Zn、O和Eu的摩尔比为48 : 0.4 : 51.6. 结果表明，Eu原子可能以取代的形式掺杂到纳米棒中。

为了通过TEM表征ZnO纳米棒的结晶度，我们在乙醇中通过超声波将产物从种子层去除。图形3.显示EU掺杂ZnO纳米棒阵列薄膜的TEM图像。其中，数字3（a）那3（b）和3（c）表示在空气中未被发烧，退火的样品，并分别在氢气中退火。这些图表明，ZnO纳米棒与沿其轴线的非均匀直径直接，并且当薄膜在氢气中退火时，ZnO纳米棒是最宽的。

在图中4.，我们显示高分辨率TEM图像和欧盟掺杂ZnO纳米峰阵列薄膜的相应Saed图案。以类似的方式，数字4（a）那4（b）和4（c）分别表示未退火、空气退火和氢气退火的样品。这些图像进一步证实了纳米棒是单晶，获得的晶格间距为0.52 nm同意这一观点（001）晶面的间距  -axis，也由Saed图案支持（图中的插图）4.）。

3.2。Pl Spectra.

数字5.示出了欧掺杂的ZnO纳米峰阵列薄膜的PL光谱。我们检测到未确诊的薄膜在400和560nm处发射，在空气中退火的薄膜在400nm处发射，并且在氢气中退火的薄膜在390和520nm处发出。此外，该图证实，在氢气中退火的薄膜是最强的并且转向下波数。Srikant和Clarke在〜395nm的uv发射分配给浅捐赠者[15.]浅层供体的性质可能是复杂的骨缺损[16.].峰值约为520 nm仍然存在争议，更倾向于将其归因于O_锌[17.那18.].黄色和橙色发光的来源（>540 nm）归因于O_一世[19.]．上述分析验证了我们的假设，即未经发确d的电影有点缺陷o_一世，并且在氢气中退火的电影有点缺陷o_锌。总之，欧盟掺杂的ZnO纳米峰阵列薄膜的点缺陷从O转移_一世来啊_锌通过在氢气中退火。

4。结论

综上所述，本文采用水热法制备了铕掺杂ZnO纳米棒有序阵列薄膜。测试结果表明，氢退火薄膜的(002)衍射峰比空气退火薄膜的(002)衍射峰更尖锐，氢退火薄膜的纳米棒变短变宽。TEM结果进一步表明，纳米棒为单晶，晶格间距为0.52 nm，与纳米棒的结构基本一致  spacing of (001) crystal planes along  -轴。室温光致发光显示，氢气退火的薄膜是最强的并且转向下波数。欧盟掺杂的ZnO纳米棒阵列薄膜的点缺陷从O转移_一世来啊_锌通过在氢气中退火。

致谢

作者非常感谢国家自然科学基金的项目的财政支持（授予No.51001078和51202155）和中国的浙江省自然科学基金（Grant No.Y4110207和Y4110547）。

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