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作为一种重要的直接带隙、宽禁带氧化物半导体材料,二氧化锡(SnO2)纳米结构在未来的光子学、电子学、透明电极、气敏传感等不同领域有着广泛的应用。本文紧跟国际纳米材料的研究前沿,以SnO2纳米结构为主要研究对象,部分工作涉及AIN纳米结构材料,较为详尽地描述了用不同方法制备SnO2纳米球(颗粒)、纳米带(Z字形)、AIN纳米晶须等,并系统的研究了它们的生长机制,重点利用光致发光(PL)光谱研究了它们的光学性质。获得的主要结果如下：
⑴以Sn板做为Sn源在稀释的氢氧化钠溶液中,利用水热法在180℃的温度下一步反应成功制备出了大量的实心SnO2纳米球,其平均直径约为120 nm。通过对不同反应时间下样品形貌的观察,我们认为SnO2实心纳米球的形成是基于Ostwald熟化过程。对其PL光谱研究发现,反应24小时制备的纳米球除了一个中心在600 nm左右的宽发射峰外,还有一个中心在490 nm左右的发射峰,该蓝光发射峰对样品的氧含量十分敏感。然而18小时制备出的纳米球只在600 nm处呈现一个单独的发射带。结合PL光谱与元素含量的定量分析,我们认为两个发射带是由氧间隙和氧空位决定的缺陷态引起的。
⑵利用热蒸发方法制备了SnO2纳米带并发现纳米带在室温下呈现一红光发射带。在经过氧气气氛下退火后,红光发射带的强度急剧降低,说明红光发射带与样品的氧空位相关。时间分辨荧光衰减曲线显示红光发射带的荧光衰减寿命为12 ns,说明该发光带起源于相关束缚态之间的电子跃迁。电子自旋共振光谱证实与红光发射带相关的氧空位是以Vo+和Vo++形式存在的。综合谱学分析结果可知SnO2纳米带中的红光发射起源于样品带隙中的复合氧空位缺陷态之间的光学跃迁。
⑶在热蒸发制备的SnO2纳米带中除了可以观察到一620 nm左右的红光发射带外,当测量温度低于100 K时还在480 nm左右出现一蓝光发射带。该带只在经过氧气气氛退火或增加制备过程氧含量的纳米带中出现,增加样品中的氧含量,在增加480 nm发光带强度的同时也减弱了620 nm的红光发射带。同时如果我们不断增加纳米带在氧气气氛下的退火时间,480 nm发射带的强度先增加并最终趋于稳定。纳米带对氧含量的这种依赖关系说明蓝光发射带是由样品中氧间隙和氧空位密度决定的,我们的理论计算证实了这一结果。
⑷利用氧化物辅助气相输运凝聚方法在900℃下在硅衬底上制备了AlN纳米晶须。扫描电子显微镜观察显示晶须纳米结构由中心球状的核和伸出表面的纳米尖状物组成。尖状直径约为100 nm,并随着远离中心球核直径逐渐减小。通过对其结构的详细分析我们提出了纳米晶须的生长机制。反应中Fe2O3的加入在降低AlN纳米晶须合成温度方面起到了关键性作用。光致发光谱(PL)测量显示AlN纳米晶须有一个宽的非对称的蓝光发射带,可以高斯分解为三个发光子带。谱图分析揭示出三个发光子带与氮空位、氧杂质和表面荧光相关的缺陷发光中心有关。研究结果显示AlN纳米晶须在现代光电子和纳米发光器件方面有着潜在应用。