离子注入SiO2玻璃形成ZnO纳米颗粒的透射电镜研究

摘要：将能量为160keV的Zn+和40keV的F+先后注入到非晶SiO2玻璃衬底中，注入剂量均为2×1017ions/cm2，并在氧化气氛下退火，采用透射电子显微学（TEM）等技术对样品进行表征和分析。由于F离子的注入为样品提供了丰富的氧，使得Zn能在较低温度下被氧化，并且ZnO以纳米颗粒的形式存在于样品里面，保持了其纳米颗粒的一些效应。

关键词：离子注入；ZnO；TEM；纳米颗粒

中图分类号：TQ171 文献标识码：A

ZnO是具有六方结构的重要功能材料，室温下能带带隙为3．3eV，激子束缚能达60 MeV，是一种直接带隙半导体。ZnO材料是继GaN之后全世界研究的又一个热点，其原材料资源丰富、价格便宜，在信息显示领域有广泛的应用前景。ZnO可用于超声换能器、高频滤波器、高速光开关及微机械等方面。它在400-2000nm范围是透明的，是一种透明的导电材料，且具有压电、光电等效应，可用于光源、探测器、光波导等器件的研制[1]。

目前已有许多先进的晶体生长技术用于ZnO的制备，如分子束外延（MBE）[2]，磁控溅射[3]、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）[4]、溶胶凝胶法（sol-gel）[5]、激光脉冲沉积（PLD） [6]、热氧化法[7]等。

众所周知，半导体纳米颗粒由于激子量子束缚效应和介电函数束缚效应使得其发光光谱会随颗粒尺寸、周围环境等因素发生明显变化。半导体纳米颗粒这种效应激发了人们对ZnO纳米颗粒的研究兴趣。但是ZnO纳米颗粒存在的一个中心的问题是如何提高紫外带隙发光和降低缺陷的发光。研究发现当ZnO纳米颗粒嵌在介质中时，由于颗粒表面钝化的作用，使其紫外发光强度明显的增强且缺陷导致的绿光明显的减弱。尽管Zn注入SiO2样品在氧化气氛中退火后能形成ZnO，但是Zn原子会被蒸发到样品表面形成了ZnO薄膜。这样纳米颗粒的量子尺寸效应就无法体现。本文研究的目的是通过双元素注入的方法，使得在SiO2衬底内形成ZnO纳米颗粒。

1 实验过程

将能量为160keV的Zn+和160keV的Zn+和40keV的F+先后注入到同一非晶SiO2玻璃衬底中，注入剂量均为2×1017ions/cm2，并在氧化气氛下退火，形成高质量ZnO膜和ZnO量子点。采用透射电子显微学（TEM）等技术对样品进行表征和分析。

2 实验结果及讨论

图1是Zn和Zn/F注入样品的TEM截面像和选区电子衍射像，纳米颗粒呈现高斯分布。F+离子注入后把SiO2中的氧替换出来，并使部分Zn纳米颗粒的表面被氧化形成核壳结构，壳可能是ZnO。高剂量的F+注入使样品中富含氧，随着退火的进行，这些氧会与纳米颗粒相互作用，使后者表面被逐渐氧化。

图2是Zn/F注入样品400°C退火1小时后的TEM截面像和选区电子衍射像，纳米颗粒的分布与未退火样品近似，从选区电子衍射花样可以看出并没有ZnO纳米颗粒形成，这可能是由于此时的温度还不能促使Zn纳米颗粒与O充分反应生成ZnO。

当注入样品在500°C退火1小时后，样品的TEM选区电子衍射花样（图3）显示为ZnO的花样，这表明Zn纳米颗粒转变成了ZnO纳米颗粒。较高的退火温度促使氧与Zn颗粒发生反应生成了ZnO。同时ZnO纳米颗粒仍处于SiO2中，而没有蒸发到样品表面。

3 结论

通过Zn/F双元素离子注入并在氧化气氛下退火的方法，采用透射电子显微学对样品进行表征和分析，结果表明：由于F离子的注入为样品提供了丰富的氧，使得Zn能在较低温度下被氧化，并且ZnO以纳米颗粒的形式存在。

参考文献

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