一种基于镓掺杂氧化锌微米线近带发射增强及调控的方法

本发明涉及半导体光电子器件，尤其涉及一种氧化锌近带发射增强和调控技术，具体地说是一种基于镓掺杂氧化锌微米线近带发射增强及调控的方法。

背景技术：

1、氧化锌在室温下具有3.37 ev的宽带隙和60mev的大的激子结合能，氧化锌作为一种很有前途的光电器件材料受到了广泛的关注。特别是，氧化锌纳米/微结构是许多新应用的理想候选材料，如纳米复用生物传感器、紫外探测器和电驱动激光器。掺杂的氧化锌微纳米结构在微电子学、化学和生物传感器及诊断、发光显示、催化、光存储等领域有着更广阔的应用前景。光电性能优异的掺杂氧化锌半导体微/纳米结构具有更大的应用潜力。在构筑氧化锌基光电器件中，氧化锌光致发光性能是一个重要的特性。很长一段时间以来，x射线主要应用于医疗、农业和食品行业、医学上常用作透视检查，工业中用来探伤。在科学研究领域x射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。以往的辐照研究大多集中在碳基纳米材料上，特别是碳纳米管（碳纳米管）。辐照条件包括电子、离子、质子、光子和中子。在纳米材料的表征、器件制造或操作过程中，可能会发生高能粒子或光子的无意或有意的辐照，从而影响纳米材料的结构和物理性质。由于在一个或多个方向上的尺寸有限，纳米材料的辐照诱导效应不同于大块材料。当高能粒子或声子与纳米尺度的物体相互作用时，可能会出现丰富的有趣的物理学表现。x射线是一种电磁辐射，与其他高能粒子有很大的不同。x射线照射的影响可以看作是光子与物质的相互作用；这与质量粒子的相互作用有很大的不同。

2、光致发光的增强和调控也取得了一些研究进展。如利用能带工程，通过制备不同组分含量的合金半导体材料，实现较大范围的光致发光波长的调控。或者利用表面等离激元效应，在材料表面附着贵金属纳米结构，从而调控增强材料光致发光特性，由于金属极强的电磁能量局域往往伴随着显著的焦耳热效应和本征损耗，基于金属表面等离激元光子器件的实用化仍是一个挑战。这些方法工艺复杂，造价较大，在大规模工业应用收到限制。

3、氧化锌在室温下具有3.37 ev的宽带隙和60mev的大的激子结合能，通常用325nm波长的激光对其进行光致发光。其光致发光光谱主要由两个峰，分别是位于380nm附近的强近带边发射，源于zno的激子重组。位于500nm附件的弱可见发射，源于其内在缺陷，主要是锌间隙、锌对位体或氧空位等。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有的氧化锌光电器件的光致发光效果不佳的问题，发明一种能增强掺镓氧化锌微米线光致发光并实现对其近带发射强度高效调控的基于镓掺杂氧化锌微米线近带发射增强及调控的方法。为构筑氧化锌基光电器件提供基础，为其他材料光电特性的调控提供技术支撑。

2、本发明的技术方案是：

3、一种基于镓掺杂氧化锌微米线近带发射增强及调控的方法，其特征在于：

4、首先，向氧化锌粉末中掺入氧化镓粉末，利用化学气相沉积法（cvd）生长得到镓掺杂氧化锌微米线；

5、其次，镓掺杂氧化锌微米线置于二氧化硅衬底上；

6、最后，利用x射线辐照镓掺杂氧化锌微米线，增强和调控其近带发射。

7、所述镓掺杂氧化锌微米线的数量可以是单根，也可以是多根，均可实现调控。优选地，所述镓掺杂氧化锌微米线的直径为1～60μm，长度为0.2～2cm。

8、具体步骤如下：

9、首先，本发明利用气相传输的方法制备高质量ga掺杂zno微米线：取氧化锌粉末、氧化镓粉末和石墨粉三者的质量比为1∶0.2～0.6∶1～1.8，混合研磨后作为反应源；将反应源、沉积衬底置于水平管式炉，同时通入氩气和氧气，采用化学气相沉积法制备得到镓掺杂氧化锌微米线阵列；其中，反应温度为1100～1200℃。

10、其次，在制备好的掺镓氧化锌微米线石英舟中选取结晶质量好，表面光洁，尺寸合适、光学性能优异的单根zno∶ga微米线；将选取的微米线用铟粒水平固定在二氧化硅表面。

11、将所制备的表面固定有掺镓氧化锌微米线的衬底在微区光谱仪中收集分析光致发光信号。在40倍的物镜下观察微米线，选择结晶质量好，表面光洁，尺寸均匀的区域，利用物理十字坐标系和标记的方法记录信号的采集区域。用325nm的激光作为激励源。将激光聚焦于微米线上表面。设置并记录光谱仪的采集参数。收集掺镓氧化锌微米线的近带边发射信号。

12、然后，利用x射线辐照微米线。将所制备的表面固定有掺镓氧化锌微米线的衬底垂直放置在x射线管放射口下端，确保微米线处于x射线辐照区域内。设置并记录x射线辐照参数及剂量。

13、最后，再次用光谱仪收集相同区域的近带边发射信号。对比分析微米线近带边发射信号和x射线辐照剂量的关系。通过调控x射线辐照剂量，从而实现对近带边发射的增强和调控。本发明是一种可以实现增强并调控单根镓掺杂氧化锌(zno∶ga)微米线近带发射的方法。

14、本发明的有益效果是：

15、本发明最主要特点在于利用x射线动态调控镓掺杂氧化锌(zno∶ga)微米线近带发射的方法；利用x射线辐照ga掺杂的单根zno微米线实现近带发射增强，大大简便了器件制备工艺流程，x射线获取简单，调控方法简单易行，重复度高，成本较低，十分适合工业生产。

16、用所制备的微米线重复多次实验。当镓掺杂氧化锌微米线结晶质量较好时，对378nm附近的强近带发射增强比较大，最高能达到9倍左右。

17、此外，对增强发射后的稳定性也做了测试，在x射线辐照50天之后，对样品进行了原位测试，发现增强发射的效果稳定。表明其稳定性较好。

技术特征：

1.一种基于镓掺杂氧化锌微米线近带发射增强及调控的方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述镓掺杂氧化锌微米线的直径为1～60μm，长度为0.2～2cm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镓掺杂氧化锌微米线的制备方法包括：取氧化锌粉末、氧化镓粉末和石墨粉混合研磨后作为反应源；将反应源、沉积衬底置于水平管式炉，同时通入氩气和氧气，采用化学气相沉积法制备得到镓掺杂氧化锌微米线阵列；其中，反应温度为1100～1200℃。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氧化锌粉末、氧化镓粉末和石墨粉三者的质量比为1∶0.2～0.6∶1～1.8。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，具体的制备过程包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对掺镓氧化锌微米线进行x射线辐照的辐照剂量为120gy~150gy；通过调控辐照剂量进而增强和调控微米线的近带发射。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用x射线管产生x射线场。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，x射线管的具体参数设置如下：管压160kv，管流2ma，0.71gy/min；通过调控x射线辐照的时间，调控辐照剂量。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：用共聚焦拉曼光谱仪收集光学信号；将所制备的表面固定有掺镓氧化锌微米线的衬底放置在光谱仪中，利用物理十字坐标系和标记的方法记录信号的采集区域，用325nm波长的激光作为激励源；将激光聚焦于微米线上表面；微区物镜的倍率为40倍。

技术总结
一种基于镓掺杂氧化锌微米线近带发射增强及调控的方法，其特征是将所述镓掺杂氧化锌微米线固定于二氧化硅衬底上，通过对微米线进行高能X射线辐照，实现增强和调控微米线光致发光特性。本发明为增强和调控掺镓氧化锌微米线发射特性提供一种有效策略，操作简便，增强效果大，有效时间长。在调控微米线光电特性，构筑氧化锌基微纳米光电器件有着巨大的应用前景。

技术研发人员：曹水艳,何思远,姜明明,阚彩侠,刘衍朋
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15