稀土元素(la、ce、nd)掺杂zno薄膜光学和气敏性能硕士论文

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1、硕士学位论文稀土元素(La、Ce、Nd)掺杂ZnO薄膜的光学和气敏性能OPTICALANDGASSENSITIVEPROPERTIESOFRAREEARTHELEMENTS(La、Ce、Nd)DOPEDZNOTHINFILMS林倩茹哈尔滨工业大学2012年7月国内图书分类号：TG15学校代码：10213国际图书分类号：621.78密级：公开工学硕士学位论文稀土元素(La、Ce、Nd)掺杂ZnO薄膜的光学和气敏性能硕士研究生：林倩茹导师：孟祥龙教授申请学位：工学硕士学科：材料物理与化学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2012年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学C

2、lassifiedIndex:TG15U.D.C:621.78DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringOPTICALANDGASSENSITIVEPROPERTIESOFRAREEARTHELEMENTS(La、Ce、Nd)DOPEDZNOTHINFILMSCandidate：LinQianruSupervisor：Prof.MengXianglongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Materialsphysics&chemistryAffi

3、liation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：July,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要ZnO作为第三代多功能宽禁带半导体越来越引起人们的重视。本文采用射频磁控溅射的方法成功制备了不同稀土元素（La、Ce、Nd）掺杂的ZnO薄膜。通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、原子力学显微镜（AFM）、紫外-可见分光光度计、荧光分光光度计、气敏测试仪和光催化性能测

4、试仪系统研究了稀土掺杂含量、稀土核电荷数以及衬底倾斜角度对ZnO薄膜组织结构、表面形貌、光学性能、气敏性能和光催化性能的影响。结果表明，随着稀土La掺杂含量的增多，薄膜表面的粗糙度逐渐增大，薄膜的禁带宽度随着La掺杂含量的增多而增大，这是由于当La替代Zn的位置后，使得决定价带顶位置的s和d轨道电子相互作用减小，价带顶向低能方向移动。La掺杂量为1%和2%的薄膜紫外光发光峰位没有变化，而当La掺杂含量为3%时，ZnO薄膜的紫外发光峰发生明显蓝移。随着掺杂含量的增加，ZnO薄膜对甲醛气体的灵敏度逐渐增加，光催化性能先增加后降低。掺杂不同的稀土元素对ZnO薄膜性能影响

5、也不同，低温时(T<320°C)，Nd掺杂ZnO薄膜的气敏性能较其它两种稀土元素掺杂的ZnO薄膜高，这是由于Nd掺杂ZnO薄膜的表面粗糙度要明显大于La和Ce掺杂的ZnO薄膜。高温时(T>320°C)，Ce对甲醛气体的灵敏度最高，这是由于此时薄膜表面趋于平整，+4价的Ce离子能提供更多的电子使得此时Ce掺杂的ZnO薄膜的气敏性能较La、4+Nd掺杂的ZnO薄膜高。在紫外光照射下，Ce容易俘获电子形成+3价的Ce离子，降低电子-空穴对的复合率，有助于提高光催化性能。衬底倾斜不同角度时溅射的薄膜性能也大有不同，衬底垂直溅射的纯ZnO薄膜和La掺杂ZnO薄膜的紫外光发光

6、强度较其它角度沉积的薄膜提高了5倍左右，这是由于此时衬底不受载能粒子正面轰击，结晶度最高，薄膜质量最好。而衬底倾斜60°时溅射的ZnO薄膜的气敏和光催化性能最好，因为薄膜表面倾斜岛状结构产生阴影效应的增大了薄膜表面的粗糙度。而平行溅射的La掺杂ZnO薄膜的气敏和光催化性能最好，这是由于La原子的质量远远大于Zn原子和O原子，平行溅射时衬底会受到La原子的正面轰击，形成更多二次缺陷，表面岛数量增加，增大了薄膜表面的粗糙度。关键词：ZnO薄膜；稀土掺杂；光致发光；气敏;光催化-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAsthethirdgenerationm

7、ultifunctionalwidebandgapsemiconductor,ZnOhasdrawnmuchattentioninthepastdecades.Inthispaper,therareearthelements(La,Ce,Nd)-dopedZnOthinfilmsweresuccessfullypreparedbyRFmagnetronsputtering.X-raydiffraction(XRD),X-rayphotoelectronspectroscopy(XPS),atomicforcemicroscope(AFM),UV-visibleab

8、sorpt