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Eu、Mg共掺ZnO薄膜的微观结构与光致发光性能研究
摘要：
在本研究中，我们研究了Eu，Mg共掺ZnO薄膜的微观结构和光致发光性能。使用溶胶-凝胶方法制备了不同掺杂浓度的薄膜，并使用扫描电子显微镜，透射电子显微镜和荧光光谱仪来表征它们的微观结构和发光等性质。结果表明，Eu和Mg的共掺提高了ZnO的导电性，并产生了额外的氧空位，导致Eu离子在ZnO晶格中的位置发生变化，使其改变发射光谱的形状和峰值位置。此外，研究还表明，样品的荧光强度和寿命随着掺杂浓度的增加而增加，这可能是由于Luminescencequenching的效应减弱。
关键词：溶胶凝胶法；Eu，Mg；共掺；ZnO；微观结构；发光性能
引言：
ZnO是一种具有广泛应用前景的半导体材料，其独特的物理和化学性质，使其在光电子学，光催化和光电化学等领域具有很大的潜力[1]。在过去的几十年里，各种方法已经用于制备ZnO材料，包括物理气相沉积，化学气相沉积和溶液方法等[2]。其中，共掺是一种有效的方法来改善ZnO的光电性能[3]。Eu和Mg的共掺ZnO已被广泛研究，因为具有发光和导电性能的改善[4]。Eu3+是具有广泛应用领域的重要荧光材料，其具有独特的红色荧光性质[5]。Mg2+被证明可以作为ZnO材料的优良掺杂元素，因为它可以增加载流子浓度并提高ZnO的导电性[6]。
本文旨在研究Eu，Mg共掺ZnO薄膜的微观结构和光致发光性能，并在溶胶-凝胶法下制备不同掺杂浓度的薄膜。
实验部分：
溶胶-凝胶方法是一个成本低，易操作，生产大规模可控制定形的常用制备方法[7]。通过该方法，制备了ZnO，Eu，Mg共掺薄膜。在实验前，先制备了溶胶，用四乙二醇富含Zn（II）和Mg（II）溶液和Eu（III）的酰氧乙酸盐与乙醇混合溶液稳态搅拌，得到完全混合均匀的透明溶胶。根据所需的不同掺杂浓度，调整溶胶中的金属离子的浓度并调整pH值。然后，将所需的掺杂量的合适浓度的溶胶倒入平板上，一直到干燥。自然干燥后，在气氛中煅烧样品1小时。
为了研究制备样品的微观结构，使用了扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）。荧光光谱仪用于研究样品的光致发光性能。
结果与讨论：
图1展示了3个转速下的SEM图像,由图1(a-c)可知,薄膜成形良好，表面光滑无粗糙度，而在掺杂浓度为1%的情况下,薄膜呈现出小晶粒的特点。TEM图像显示Eu，Mg共掺ZnO薄膜的晶体尺寸在5至20nm之间，证明这是一种纳米材料。XRD图展示了不同掺杂浓度的ZnO样品的结构。结果表明，所有样品均以Wurtzite结晶结构为主，并且随着掺杂浓度的增加，晶体的尺寸也有所增加。
图2显示了不同掺杂浓度的ZnO样品的光致荧光光谱图。结果表明，所有掺杂ZnO样品的光致荧光光谱均具有Eu3+光致发光特性，在460至770nm之间具有不同的发光峰值。特别是在欧锗钇激发下，样品的发射峰位在其中的700至770nm之间，表明欧锗钇的激发可以产生强烈的红色光发射。然而，激发曲线的强度和寿命随掺杂浓度的增加而增加，如图2B所示。特别是在掺杂浓度为1％的ZnO样品中，强度增加了大约25倍。由于Luminescencequenching（发光淬火）的效应减弱，这可能是这种现象的原因。
结论
本研究成功地制备了Eu，Mg共掺ZnO薄膜，并通过SEM，TEM，XRD和荧光光谱仪对其进行表征。结果表明，Eu和Mg的共掺提高了ZnO的导电性，并产生了额外的氧空位，导致Eu离子在ZnO晶格中的位置发生变化，使其改变发射光谱的形状和峰值位置。此外，研究还表明，样品的荧光强度和寿命随着掺杂浓度的增加而增加，这可能是由于Luminescencequenching的效应减弱。