二氧化錫半導體材料的制備及其光致發(fā)光性質的研究.pdf

1、二氧化錫（SnO2）是一種寬禁帶n型半導體，常溫下其禁帶寬度Eg達到3.6eV，激子束縛能高達130meV，是一種重要的無機功能材料，被廣泛應用于氣敏元件、透明電極、半導體元件、催化劑、功能陶瓷、信息材料、染料敏化太陽能電池、光電子器件等方面。因此SnO2材料的各種制備方法以及特性的研究受到人們廣泛關注。 本文采用水（溶劑）熱法和模板法制備了各種形貌的二氧化錫，采用共沉淀法制備了銪摻雜二氧化錫納米材料。利用X射線衍射儀（XRD）

2、、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、紅外光譜（IR）、紫外漫反射光譜（VIS-NIR）、室溫光致發(fā)光光譜（PL）等對產物進行表征，并研究了產物的光致發(fā)光特性。 本論文的主要研究內容及結果包括以下幾個方面： 1.以SnCl4·5H2O為原料，采用不同溶劑180℃水（溶劑）熱反應數小時后得到不同形貌的二氧化錫。在純乙二胺體系中，制備了微米級的二氧化錫棒狀產物。二乙胺的加入量對二氧化錫的形貌起著重要的作用，這

3、與乙二胺的分子結構中有2個配位基團NH2-有關；而水熱反應24h則得到球形納米粒子，延長反應時間和升高反應溫度，均得到二氧化錫納米棒。反應時間影響產物的結晶性和粒徑大小，隨著反應時間的延長，產物結晶性提高，粒徑逐漸增大。納米棒的形成可能是水熱反應過程中晶核取向生長所致。SnO2納米棒在可見光范圍有很大的吸收。室溫光致發(fā)光研究表明，SnO2具有優(yōu)越的發(fā)光性能，在340nm處有較強的近帶邊激子紫外發(fā)光峰，在432nm和470nm處為氧空位缺

4、陷引起的發(fā)光峰，540nm處的綠光發(fā)光峰為亞穩(wěn)態(tài)的氧空位缺陷所致，672nm處紅光發(fā)光峰歸因于表面的氧空位缺陷引起的能帶中深能級躍遷。 2.以Al2O3陶瓷片為模板基片，我們采用SnCl4·5H2O與二乙胺、N，N-二甲基乙酰胺和乙二胺3種有機胺溶劑在180℃溶劑熱反應數小時后合成了SnO2超微粉體材料，粉體的平均大小為0.5～1微米。陶瓷基片為二氧化錫生長提供了生長基底，有利于柱狀和棒狀產物形成。室溫光致發(fā)光研究表明，SnO2

5、粉體室溫下的光致發(fā)光譜圖在340nm處的強發(fā)光峰為SnO2本征發(fā)光峰，450nm處的弱發(fā)光峰可歸結為是由氧空位缺陷引起的發(fā)光峰。 3.采用化學共沉淀法制備Eu3+摻雜SnO2納米粉體，Eu3+摻雜量和焙燒溫度對產物有一定影響。當摻雜量為1％時，在不同焙燒溫度下其SnO2晶體保持純四方晶相結構；當摻雜量增加為3％和5％時，隨著焙燒溫度的升高，分別在900℃和1100℃，產物得到Eu2O3和SnO2兩相結構；700℃不同Eu3+摻雜

6、量所得產物為純四方晶相二氧化錫。升高溫度，隨著Eu3+摻雜量的增加，產物中陸續(xù)出現Eu2O3和SnO2兩相結構。這是由于隨著Eu3+摻雜量的增加，固溶于SnO2晶格中的Eu3+達到極限，從SnO2晶格中脫離出來，以雜質形式存在于SnO2晶格空隙中，故產物XRD譜圖上出現了Eu2O3衍射峰。Eu3+的發(fā)射主要來自2D0激發(fā)態(tài)能級，包括5D0→7F1、5Do→7F2、5D0→7F3、5D0→7F4躍遷；此外還存在著較高5D2和5D1激發(fā)態(tài)能

7、級的輻射躍遷，包括5D2→7F3、5D1→7F2和5D1→7F2躍遷。室溫光致發(fā)光表明，Eu3+摻雜SnO2納米粉體在580～730nm波長范圍內具有一組窄帶譜峰，592nm附近的發(fā)射峰強度最大，其發(fā)光以5D0→7F1躍遷為主，為橙光發(fā)射峰。此外，在520～560nm波長范圍內還有弱的5D2和5D1激發(fā)態(tài)能級的輻射躍遷，其中529nm處的發(fā)射峰對應于5D2→7F3躍遷發(fā)射，540nm處的發(fā)射峰對應于5D1→7F1躍遷發(fā)射，552和561