理论和实验研究稀土掺杂对ZnO能隙的调控作用

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ZnO作为一种Ⅱ-Ⅵ族宽带隙直接禁带半导体材料具有独特的性质,在纳米光电器件、光催化剂、橡胶、陶瓷及化妆品领域有着广阔的应用前景,已经引起了人们越来越广泛的关注。对纳米结构ZnO进行掺杂改性,充分发挥其形貌、能级和功能特性的综合效应,仍是目前纳米ZnO研究领域的热点,而稀土离子是一种特殊的掺杂中心,研究其对ZnO能隙的调控作用及性能的改善有着重要的现实意义。采用溶剂热法制备了ZnO和不同镧掺杂浓度(0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%,3.0%,4.0%,5.0%)的ZnO纳米晶。研究掺杂对ZnO晶体结构和光学性能的影响。在XRD图谱中未出现新的衍射峰,但是峰的强度和位置发生了变化,说明掺杂改变了晶格参数,使晶胞体积膨胀;且随着掺杂量的增加,X-射线衍射峰宽化,强度减弱,表明稀土掺杂可以抑制氧化锌纳米晶粒的生长。紫外-可见漫反射光谱结果表明:La3+掺杂使ZnO晶体的吸收边发生蓝移,能隙变宽,且镧掺杂量增大能隙越宽,直到掺杂量达到2.0%。在对其光致发光研究中发现,在403nm和447nm光激发下,镧掺杂氧化锌在La3+掺杂2.0%的体系中得到强黄光和红光发射,说明镧掺杂影响了氧化锌纳米晶的发光强度和位置。对样品进行了光催化性能测试,发现我们制备的ZnO颗粒具有很高的光催化活性,La3+的掺杂存在一个最佳浓度2.0%,使ZnO的光催化活性得到最有效的提高。采用密度泛函理论的平面波赝势方法计算了ZnO晶体、掺镧ZnO晶体的电子结构、态密度和电荷分布,与实际结果进行了比较。计算结果表明,镧的掺入使晶体的能带结构、态密度和电子性质都发生了变化。对比镧掺杂和纯ZnO晶体的能隙宽度,发现镧掺杂后ZnO能隙变宽,与实验结果可以相互验证。
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