Al，Co掺杂对ZnO纳米棒光致发光的影响

摘 要：用水热方法制备了Co，Al共掺杂的Zn0.95-xAlxCo0.05O （ZnAlCoO）纳米棒阵列， 光致发光光谱显示随着Al浓度增加紫外峰值的位置向短波方向移动而可见光的峰值却先增加后减小，峰值朝着长波方向移动。对上述现象进行了讨论其结果对综合研究ZnO 纳米结构有重要意义。

关键词：光致发光；CoAl共掺杂；光致发光

1 介绍

ZnO是II-VI族化合物有着压电，传导，光吸收及发射等性质的直接宽禁带半导体，ZnO薄膜成为一种很有前途的紫外光电子器件材料，掺杂是一种有效的方法来调节ZnO的能级和表面状态，更能影响一维的ZnO纳米材料的光学性能。由于Al掺杂造成ZnO表面的缺陷改变ZnO的光致发光性能，Co掺杂有助于ZnO产生磁性，Al掺杂ZnCoO使得带系可调，因此研究CoAl共掺杂ZnO纳米棒薄膜有一定意义。

2 Al，Co共掺ZnO纳米棒的制备

0.1M的硝酸锌，硝酸钴，硝酸铝混合溶液中加入氨水（25%）使其PH值为9。保持Co不变，四组溶液分别获得Zn：Al的比值为93：2，94：1，89：6，88：7。均放到四个高压釜中振荡10分钟后把有ZnO缓冲层面的玻璃朝上放入高压釜中，盖紧盖放入70℃烘箱下保温10小时后自然冷却，四个玻璃片上表面都覆盖一层棕黄绿色薄膜，115℃下烘一小时，记为ZCA2，ZCA4，ZCA5，ZCA7。样品用Cu Ka在激光电压为40kV，电流为50mA，PL（ LABRA-HR）光致发光，光致发光表征和分析。

上图是光致发光图，所有光谱都有近带发光（NBE）和可见光（VL）两部分，我们认为近带发光是由于激子或带到带的跃迁造成，可見光一般是由于深能级缺陷形成。Al含量从2%增加到5%时，紫外可见光强度明显减弱。虽然Al浓度2%时紫外光发射最强的但近带边发射强度最弱，与只含Co的ZnO纳米薄膜相比，紫外光强度与可见光之比有较大值1.303。这说明CoAl的共掺比只有Co掺杂会造成更多的深能级缺陷和激子淬中心。[1]Al掺杂含量从2%增加到7%而Co的含量保持不变的情况下，IUV/IVL先从1.303降低到0.040，然后增加到0101。（002）峰位置的变化趋势与此一致。说明在Co含量不变的情况下，Al元素的加入增加了与之有关的深能级缺陷从而降低了紫外可见光的强度。与没有Co掺杂只有Al掺杂的原理是不同的[2] 。

在CoAl共同掺杂的ZnO纳米薄膜中，当Al掺杂含量从2%增加到了5%，由于Burstein–Moss效应，近带边发射的蓝光明显发生从388.7 到371.2 nm的蓝移，应该是由于Al掺杂使载流子浓度增加，填满了导带底部增加了Eg带系所造成的。

Al含量增加到7%时，由于Al不纯态的局域化浓度增加从而缺陷增加，也可能是Al不纯产生的电子载流子强度降低。因此Al含量为7%时，近带边发射明显红移从371nm到373nm。在插入图中能够看到随着增加Al的含量，较低的两个光致发光峰分别在351.4nm（3.545eV） 和 358.6nm（3473eV）并且越来越清晰。两峰值之间的距离是72meV相当于一个LO声子的能量。所以可以看到声子跃迁造成3514nm的峰位。而在358.6nm和 371.2nm位置间的两个峰之间距离是117meV，相当于2个TO声子的能量。所以在3514nm和358.6nm的峰分别是与2TO+LO和2TO有关的激子跃迁所造成。

3 结论

ZnAlCoO纳米薄膜在光致发光谱中，我们发现了近带发光（NBE）及可见发光（VL）峰以及 358.6nm和371.2nm两个位置的峰值，NBE的强度，IUV/IVL ，Igreen/IVL随着Al含量的增加均降低，这说明CoAl共掺杂比只掺杂Co的ZnO纳米薄膜产生了更多的深能级缺陷和激子淬灭中心。通过实验发现Co和Al的比例为1时，ZnAlCoO纳米薄膜的近光带光强，IUV/IVL 和Igreen/IVl均最小，有利于可见光发射。

Al含量继续增加， X射线衍射（XRD）及近带发光（VL）峰的发生蓝移，说明Co和Al真的均掺杂进ZnO纳米薄膜的晶格中，这对ZnO纳米薄膜和它的应用有重要意义。

参考文献：

[1] Shisheng Lin， Haiping Tang， Zhizhen Ye， Haiping He， YuJia Zeng， Binghui Zhao， Liping Zhu. Synthesis of vertically aligned Al-doped ZnO nanorods array with controllable Al concentration[J]. Materials Letters，2008，62 ：603–606.

[2] R. C. Wang， C. P. Liu， J. L. Huang， S. J. Chen， Appl. Phys. Lett，2006， 88， 023111.

作者简介：李敏（1983-），女，山东泰安人，硕士，中国石油大学胜利学院基础科学学院讲师，研究方向：纳米材料。