ZnO胶体球光子晶体的制备及其纳米棒的电致发光

光子晶体是一种具有周期性介电常数、内部结构成有序排列的晶体，由于具有光子禁带，在光电器件的应用上有巨大的潜力，其在光子晶体光纤、光波导、光开关等领域已经有所应用。但目前应用于光子晶体的材料种类比较少，主要集中在二氧化硅，聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯等材料。而相对于这些材料，ZnO具有更高的折射率，按照光子晶体的理论，ZnO可以成为一种更好的光子晶体的材料。所以我们对其在这方面的性能开展了一些研究。 ZnO材料由于具有很好的光电性能已成为近年来研究的热点，人们将其应用于纳米科技的各个领域的研究中。如氧化锌纳米棒被广泛的应用于光电器件的构造，紫外激光发射等。目前ZnO纳米棒得发光研究主要基于直流电压下的p-n结，肖特基势垒，金属接触等模式，这里我们尝试了另一种模式，即交流电压激励下的发光。 我们首先研究了ZnO胶体球的制备，通过严格分离制备过程中晶核的形成和晶核的生长，获取了单分散的ZnO胶体球，并通过控制晶核的数量来调节胶体球直径，获得直径为200～650nm的胶体球。使用改进得加热条件下的重力场自组装方法制备光子晶体，即把浓缩的单分散胶体球悬浊液滴到140℃的基底上，在溶剂缓慢蒸发的过程中，胶体球在整片基底上都均匀地自组装成有序的周期结构，即光子晶体。使用实验室改装的F-4500荧光分光光度计在370～850nm范围内测量了光子晶体的光垂直入射时的透射状况，发现在400nm～750nm波长范围内都可以构造出存在着不完全光子带隙的光子晶体，带隙中心波长入随着胶体球直径D的变化而移动，但这些数据与基于布拉格散射方程的光子带隙中心波长估算理论的计算结果D≈0.33λ存在一定的误差，在考虑到ZnO胶体球中存在小孔洞等各种因素后，我们对估算理论的计算结果做出修正：D≈0.33μλ，其中μ为修正系数，其值为1.39，修正后光子带隙中心波长λ与胶体球直径D之间符合D≈0.46λ，这与实验测试所得的结果相符合。我们还对获得的光子晶体进行了光致发光研究，获得的光致发光谱中只有ZnO的本征峰，而一般ZnO材料因为 O缺位所具有的杂质峰被明显抑制，体现了光子晶体带隙的特点。 在对ZnO纳米棒阵列的双绝缘层结构的电致发光研究中，我们发现当电源频率保持 3.5kHz 不变时，光谱强度随电压的增加而增强。在保持交流电压200V不变时，测量电源的频率变化时的电致光强，结果显示，双绝缘层结构等效于一个带阻结构，在中心频率7kHz处，有最高的光强，在远离中心光谱则逐渐变弱。并且中心频率随双绝缘层结构参数(如绝缘层厚度等)不同而不同。