高质量氧化锌晶体的水热法合成及其光电性能研究

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1、武汉理工大学博十学位论文摘要本文研究水热自发结晶的生长条件对ZnO晶体形貌和质量的影响，研制用于生长较大尺寸晶体的防腐高压釜，研究水热有籽晶生长的条件对ZnO晶体质量的影响，比较两者的生长习性和生长机理，结合ZnO晶体．c面和+c面退火前后性能的研究，探索晶体中的缺陷变化对其光电性能的影响。在温度350。C和430"C时，自发结晶出现了粒度不同的多种晶体形态。矿化剂KOH浓度至3M，获得质量较好的长度为1．5mm的孪晶：矿化剂NaOH浓度至5M，得到长度接近lmm的双锥晶体。相对于KOH和NaOH，纯LiOH碱性

2、太弱不适于作为矿化剂；增加矿化剂浓度，提高结晶温度，有利于提高晶体质量；碱性矿化剂复合1MKBr后，使ZnO晶体显露O}的部位生长速度大大减小。有籽晶生长出的晶体(0002)面x射线衍射摇摆曲线半波宽度FWHM(FullWidthatHalfMaximum)达到90弧秒。相对于纯度99％的ZnO粉料，纯度99．99％的ZnO粉料作营养料适宜于生长高质量的晶体；5MKOH矿化剂复合1MLiOH后效果更好；用水热法生长出的ZnO晶体切割作为籽晶比用CVD法的晶体作为籽晶，生长出的晶体结构完整性更好；提高生长温度有助于

3、晶体的排杂，生长出的ZnO晶体质量更高。ZnO晶体中Fe、K、Na离子是影响晶体结构完整性的因素，Fe离子对晶体颜色的影响突出。ZnO晶体(oooi)面的活化能比(o001)面的高，生长温度对(oooi)生长速率的影响比对(0001)面的影响要大，而KOH矿化剂浓度对两极面生长速率的影响是相近的；KOH矿化剂复合LiOH后，晶体两极面的活化能增大，生长速率降低。水热体系ZnO自发结晶成核可以近似采用均匀成核理论来解释，ZnO有籽晶生长成核是不均匀成核。水热有籽晶生长的加温控制和压力检测方式采用人造水晶工业生产中的

4、方式。防腐高压釜采用镶嵌式衬套结构，制造釜体的材料选用镍铬钛耐热合金，防腐内衬选用贵金属银，采用爆炸法使衬套与釜体复合。反应腔尺寸为巾60×770mm，斯特伯格自紧式密封结构适于带贵金属内衬的高压釜，加热状态最高压力达到155MPa。ZnO晶体一c面Lt+e面吸收大，表明．C面中较松散的价电子更多。+C面退火和未退火室温下的光致发光紫外发光峰和绿光峰强度比值分别为4．5和0．7，表武汉理工大学博士学位论文明退火充氧过程减少了由晶体中点缺陷和线缺陷引起的非本征辐射。退火使+c面的电阻率提高5个数量级，载流子迁移率降

5、低了2个数量级，载流子浓度降低了4个数量级，使一c面的电阻率提高72％，载流子迁移率提高了75％，载流子浓度降低了35％，表明两者的载流子迁移方式不同。本论文首次比较了两种ZnO晶体生长方法的不同，研制了生长ZnO晶体镶嵌式衬套结构防腐高压釜，阐述了退火前后晶体中缺陷变化对晶体性能影响的规律。关键词：水热法，自发结晶，籽晶，ZnO晶体，高压釜II武汉理工大学博士学位论文AbstractInthepresentdissertation，thestudyisonfabricatinghighqualityhydrot

6、hermalZnOcrystals，isoninfluencesoncrystal’Sappearancesandqualityundergrowingconditionsofspontaneouscrystallizations，isonmanufacturingautoclavewithliningforgrowinglargesizeZnOcrystals，isoncrystal’Squalityundervariedgrowingconditionswithseeds．Thedifferentgrowth

7、behaviorsandmechanismbetweenspontaneouscrystallizationsandgrowingwithseedsarecompared．Bymeansoftestoncharactersof+cfaceand---CfaceofZnOcrystalswithorwithoutanneal，effectofvarieddefectsonrelatedcrystalsphotoelectricperformancesisinvestigated．Therearemanyformsa

8、ndgranularitiesofZnOcrystalsinspontaneouscrystallizationsat350"Cand430。C．1．5mmtwincrystalisobtainedin3MKOH．Near1．Ornmcrystalswithtwoconesaregottenin5MNaOH．ComparedtoKOHandNaOH，LiOHistoowe