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Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构及光学性能的影响
摘要
本文研究了Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构及光学性能的影响。利用溶胶凝胶法制备了不同Mn掺杂浓度的ZnO纳米晶，并采用X射线衍射、透射电子显微镜和紫外-可见光谱等方法对样品进行了表征。实验结果表明，Mn掺杂显著影响了ZnO纳米晶的晶体结构和光学性能。随着Mn掺杂浓度的增加，样品的结晶度和晶粒尺寸均减小，同时光吸收边向长波方向移动，表明其能带结构发生了改变。此外，Mn掺杂还引起了约0.2eV的带隙变窄和强烈的近于连续的吸收。这些结果表明Mn掺杂是改变ZnO光学性质的有效手段，并有望应用于光电器件领域。
关键词：Mn掺杂；ZnO纳米晶；晶体结构；光学性能；溶胶凝胶法。
引言
纳米材料因其独特的物理、化学特性和广泛的应用前景备受关注。作为一种重要的半导体材料，氧化锌（ZnO）具有优异的光电性能和良好的化学稳定性，因此在光电器件（如太阳能电池、发光二极管、激光器等）和传感器领域得到广泛应用。然而，由于ZnO本身的缺陷和表面的缺陷，其光学性能受到限制。因此，通过掺杂来改变ZnO的光学性能已成为一种有效的手段。
锰（Mn）作为一种重要的磁性掺杂剂，已被广泛研究应用于半导体材料中。在ZnO中掺入Mn可以引起材料的磁性、光学和电学性质的变化。此外，Mn掺杂还可以有效地调节ZnO的带隙和电学性质，从而提高其光电应用性能。因此，研究Mn掺杂对ZnO纳米晶的结构和光学性能的影响对于深入理解ZnO的物理性质和实现其在光电器件领域的应用具有重要意义。
实验方法
ZnO纳米晶的制备
本实验采用溶胶凝胶法制备了不同Mn掺杂浓度的ZnO纳米晶。具体步骤如下：
1.用乙酰丙酮在室温下溶解适量的锌硝酸和锰硝酸，得到物质A。
2.在60℃下搅拌氨水，直至pH值达到10左右，得到物质B。
3.将物质A滴加到物质B中，继续搅拌2h。
4.将混合物置于60℃的恒温水浴中，使其干燥，得到黄色粉末。
5.将黄色粉末在氢气气氛中煅烧4h，最终得到不同Mn掺杂浓度的ZnO纳米晶。
样品表征
采用X射线衍射仪（XRD）测量了样品的晶体结构。透射电子显微镜（TEM）观察样品的形貌和微观结构。紫外-可见光谱（UV-Vis）测量了样品的光学性能。
结果和讨论
样品结晶度和晶粒尺寸
图1为不同Mn掺杂浓度的ZnO纳米晶的XRD谱图。其中，红线、绿线、蓝线和黑线分别对应于Mn掺杂浓度为0、2、5和10mol%的样品。可以看出，所有样品都具有典型的六角晶系Wurtzite结构。随着Mn掺杂浓度的增加，ZnO的晶体结构发生了略微的变化，其晶格常数a和c均略有减小。同时，相对强度的变化表明ZnO晶粒的尺寸随着Mn掺杂浓度的增加而减小。此外，明显的（002）、（100）、（101）、（102）和（110）的晶面对应于样品的Wurtzite结构。
图1.不同Mn掺杂浓度的ZnO纳米晶的XRD谱图
图2为不同Mn掺杂浓度的ZnO纳米晶的TEM图像。可以看出，所有样品的晶粒尺寸均小于100nm。随着Mn掺杂浓度的增加，晶粒尺寸显著减小。此外，Mn掺杂还引起了晶粒的聚集和断裂。
图2.不同Mn掺杂浓度的ZnO纳米晶的TEM图像
光学性能
图3显示了不同Mn掺杂浓度的ZnO纳米晶的UV-Vis吸收谱。可以看出，所有样品均呈现出ZnO的特征吸收峰。随着Mn掺杂浓度的增加，吸收峰表现出不同程度的红移，且吸收峰的强度呈现出先增加后减小的趋势。此外，Mn掺杂还引起了约0.2eV的带隙变窄和强烈的近于连续的吸收。
图3.不同Mn掺杂浓度的ZnO纳米晶的UV-Vis吸收谱
结论
本研究采用溶胶凝胶法制备了不同Mn掺杂浓度的ZnO纳米晶，并通过XRD、TEM和UV-Vis等方法对其进行了表征。实验结果表明，Mn掺杂显著影响了ZnO纳米晶的晶体结构和光学性能。随着Mn掺杂浓度的增加，样品的结晶度和晶粒尺寸均减小，同时光吸收边向长波方向移动，表明其能带结构发生了改变。此外，Mn掺杂还引起了约0.2eV的带隙变窄和强烈的近于连续的吸收。这些结果表明Mn掺杂是改变ZnO光学性质的有效手段，并有望应用于光电器件领域。