金属离子注入固体材料纳米颗粒合成、热演变及光学性质研究

本论文利用金属离子，如Zn和Cu，注入到三类固态材料，即SiO2、Al2O3和单晶Si中，借助于紫外-可见光吸收谱仪（UV-Vis）、X-射线衍射谱仪（XRD）、横截面试样的透射电子显微镜（XTEM）、原子力显微镜（AFM）、光致发光谱仪等详细地研究了纳米颗粒形成、热演变以及相关的光学性质，具体研究内容及结果如下：（1）利用45 keV Zn离子注入SiO2，剂量分别为5×1015、1×1016、5×1016和1×1017 ions/ cm2，系统地研究Zn纳米颗粒的形成与剂量的依赖关系以及Zn纳米颗粒在氧气气氛下退火的演变过程。注入剂量在5×1016 ions/cm2剂量时观测到了最佳Zn纳米颗粒的等离子体共振峰（SPR峰）。当退火温度升高到600°C时，Zn纳米颗粒完全被氧化并形成了ZnO纳米颗粒，而700°C时退火时会反应生成Zn2SiO4纳米颗粒。（2）采用45 keV Zn离子注入到SiO2样品，剂量为5.0×1016 ions/cm2，重点研究了三种不同气氛下Zn纳米颗粒的热演变，即氧气、氮气及先氮气后氧气顺次退火。在氧气气氛下退火的样品和在先氮气后氧气气氛下退火的样品中均能发现具有（002）和（103）取向的ZnO的纳米颗粒。而氮气气氛下只有Zn纳米颗粒的生长。光致发光结果表明了在先氮气后氧气气氛下退火的样品中能形成具有较强紫外发光的高质量的ZnO纳米颗粒。（3）采用500keV、2.0×1016 ions/cm2的Xe离子辐照1×1017 ions/ cm2、45keV Zn离子预注入的SiO2，重点研究了重离子辐照对Zn和ZnO纳米颗粒形成及其光学性质的影响。研究结果表明，未经Xe离子辐照的SiO2样品中热氧化形成的ZnO纳米颗粒不仅形状不规则，而且大小分布非常不均匀（5-30 nm），而经Xe离子辐照的样品中制备的ZnO纳米颗粒呈现近乎球形形状，其直径分布大在3-7 nm一个较小的范围。卢瑟福被散射（RBS）对辐照前后Zn分布剖面分析结果显示，Xe离子辐照使得Zn较为均匀地分布在样品中一个宽的区间内，随后氧气气氛下的热处理使得Zn均匀成核和氧化，因而形成了尺寸较小且尺寸分布相对均匀的ZnO纳米颗粒。（4）采用1.0×1017 ions/cm2、45 keV Cu离子注入α-Al2O3单晶，研究了Cu纳米颗粒在真空和氧气两种退火氛围下的热演变。研究结果显示，在300-600oC温度范围内，真空中退火几乎对Cu纳米颗粒的生长不起作用，而氧气气氛下退火则不仅促使了Cu纳米颗粒的氧化形成CuO纳米颗粒，而且还大大地促进了纳米颗粒的热生长。（5）采用1.0×1017 ions/cm2，45 keV Zn离子注入α-Al2O3单晶，重点研究Zn离子注入缺陷以及Zn纳米颗粒热氧化对α-Al2O3光学性能的影响。研究结果显示，Zn离子注入引入了大量的F型缺陷使得样品具有很强的缺陷发光。由于ZnO发光和Al2O3缺陷发光的叠加，600oC退火后样品的发光峰出现了显著的增强。（6）采用1.0×1017 ions/cm2，45 keV Zn离子注入n-型单晶Si（100）,研究了Si样品中Zn纳米颗粒的合成、在氧气气氛下的热演变以及纳米颗粒演变对Si样品表面形貌的影响。通过研究发现，高剂量的Zn离子注入可以在Si中形成，600oC热氧化形成了尺寸分布较为均匀（2-7 nm）、具有（101）择优取向的ZnO纳米颗粒