《稀土離子與Si注入ZnO晶體的螢光加強特性研究》是依託山東大學，由盧霏擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：稀土離子與Si注入ZnO晶體的螢光加強特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：盧霏
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
以離子注入的方法對ZnO晶體進行摻雜是近年來探索製備ZnO發光器件和自旋電子器件的重要方法，摻雜的目的包括對ZnO電學極性的改變、以ZnO為載體的稀土離子(RE)發光中心的摻雜，以及摻入過渡金屬離子改變材料磁學性質等。其中採用RE摻雜ZnO實現可見和近紅外發光的努力一直在不斷地進行，但摻雜後材料的螢光性質始終沒能取得令人滿意的結果。其主要的原因是RE3+電荷性質與Zn2+不同,RE離子在ZnO中的溶解度及光學活性較低。這使得RE3+在ZnO材料中的螢光效率受到限制。本項目將採取稀土離子與Si離子共注的方式，在RE摻雜的ZnO中引入Si納米結構。其作用有三方面:以Si納米晶粒作為媒介增加RE離子的有效吸收截面;藉助Si納米結構的量子效應加強ZnO材料與RE離子之間的能量傳遞;破壞RE3+離子周圍環境的對稱性，有利於ER3+內4f能態的電子躍遷。最終實現提高RE摻雜ZnO晶體螢光效率的目。
結題摘要
ZnO與目前常用的GaN材料都屬於直接帶隙的寬禁帶半導體，有許多相似的電學和光學性質。近年來ZnO被認為是可以用來製作耐高溫、高頻和高功率的光電子器件的具有巨大潛力的材料。與基於GaN的發光二極體與雷射二極體已經得到廣泛的商業套用的現狀不同，ZnO在發光器件上的套用始終障礙重重，其中許多基本的問題仍沒有解決。以離子注入的方法對ZnO進行摻雜是近年來探索ZnO發光器件和自旋電子器件的重要方法，其中利用離子注入進行稀土離子（RE）摻雜是研究ZnO發光器件的重要內容。由於三價稀土離子的光學活性在ZnO中比較低，其螢光效率始終無法令人滿意。直到上世紀90年代後期，人們發現在某些材料中（比如SiO2， GaN）的納米結構有可能成為稀土發光中心的催化劑，極大地提高稀土離子的螢光發光效率。因而在摻有稀土離子的ZnO材料中同時引入納米結構也有可能成為提高螢光效率的手段。在這樣的研究背景下我們提出了利用Si納米結構提高稀土離子在ZnO中的螢光效率的研究課題。圍繞這一課題，本項目主要對Si、Ge納米顆粒的形成條件、納米顆粒對RE：ZnO螢光的影響，以及這種影響的可能的物理機制進行了研究，其中包括：RE摻雜ZnO的方式，以及摻雜參數對RE螢光的影響；Si和Ge摻入ZnO後，摻雜濃度、退火條件對Si、 Ge納米顆粒形成的影響；Si：RE：ZnO和Ge：RE：ZnO的螢光性質以及Si和Ge納米結構與RE螢光效率之間的關係，並對導致螢光增強的物理機制進行了解釋。此外我們對在ZnO晶體和RE：ZnO薄膜上的光報導製備和光子晶體的製備進行了嘗試。通過上述的研究獲得以下幾個重要的結果：首次觀察到並解釋了Ge納米顆粒對Er：ZnO的紅外螢光增強的現象，基於解釋納米顆粒限域效應的半經典理論提出了描述這種效應的物理模型；發現了高溫環境下了Si摻雜在稀土摻雜的ZnO中可以形成稀土矽化物的現象，這一現象為提高稀土的螢光效率提供了另一種可能；首次在Er：ZnO薄膜材料上進行了光波導和光子晶體的製備等。這些研究為稀土摻雜ZnO發光器件的發光效率提高和器件設計提供了重要的理論和實驗依據。
