ZnO 微米棒制备及其偏振光学特性分析

白洋

（长春理工大学 理学院，吉林 长春130022）

1 概述

ZnO 作为一种重要的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，禁带宽度为3.37eV，且具有激子束缚能大（60meV）、熔点高、对紫外光特别敏感等特点[1]；另外，ZnO 具有较高的热稳定性和化学稳定性，且其原料充足、价格便宜、制备方法多样并且简单。因而在紫外探测器方面也引起了关注，被大量研究；而且其掺杂容易，如掺杂稀土离子、过渡金属，比如掺杂Eu3+可以实现紫外光到可见光的转换；材料本身无毒无害，价格更低廉，且易实现大规模同质外延[2]，比如可以制备ZnO 纳米线阵列，ZnO 薄膜等等。现有制备不同维度ZnO 材料的方法有很多，比如水热法，ALD 法，静电纺丝法等等。而一维结构ZnO 材料具有形貌各向异性这一有别于其他维度材料的物理性质，然后我们通过实验证实了其具有偏振发光特性，从而为其制作偏振光电探测器件打下一定基础。

2 实验部分

通过水热法制备了ZnO 微米棒，具体方案如下：

首先称量0.2523g 的HMT 并取15mL 纯水配制12mmol L-1的HMT 和醋酸锌的水溶液。

在室温剧烈磁力搅拌下，将HMT 溶液分别缓慢加入到等体积等浓度的（0.03951g 醋酸锌）二水合醋酸锌的水溶液中。

混合溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜内，90℃条件下维持5h 之后自然冷却至室温。得到的白色沉淀物经离心清洗后，加水稀释至适量浓度，滴加在单晶硅衬底，干燥备用。

3 结果讨论

3.1 形貌分析：用扫描电子显微镜分别对ZnO 微米棒的整体形貌和局部区域进行了表征，最后表征了分散的单根的微米棒，并计算出了长径比。

单根微米棒的长约为10μm 左右，宽约为0.3μm 左右，长径比约为33。

3.2 基本物性分析：如图1 为ZnO 微米棒样品的广角XRD图 谱 ， 从 图 上 可 以 看 出 样 品 在 2θ 角32.1，34.5，36.5，47.7，57.1，63.1，67，68.5，69.7，72.6 和77.6 出 现了氧化锌的X 射线衍射峰，其所对应的晶面分别为（100），（002），（101），（102），（110），（103），（200），（112），（201），（004），和（202），所对应的PDF 卡片为JCPDS No. 75-1526，峰位对应匹配度高，可知制备的样品结晶质量良好。由于制备的ZnO 微米棒分布散乱，所以没有特定的取向性。

图1 ZnO 微米棒的XRD 图谱

图2 ZnO 微米棒的PL 光谱

用325nm 波长的光激发样品，观测到良好的紫外发光，中心峰位375nm，发光峰基本呈现高斯对称（如图2）。根据文献中的报道，其应为来自自由激子辐射复合发光。由于选取的样品为单根ZnO 微米棒，所以发光强度较弱。

3.3 偏振特性分析

我们研究的ZnO 微米棒的形貌各向异性依赖于一维结构的长径比。对于长径比较小的一维结构来说主要归功于电磁场限域效应。

王健方等人在2001 年发表的文章中阐述了这一机理。

由于激发光的波长远大于纳米线的直径，所以可以将纳米线作为真空中无限长的介质来定量的模拟这种效应。

即当入射场与圆柱体平行时，圆柱体的内部电场不会减小，而垂直时，电场的振幅会有衰减[3]。

可以用公式（1）来说明，

根据具体材料的介电常数即可计算其偏振度。

我们设计如图3 所示的光路来探测其偏振发光特性。偏振发光特性是指样品被圆偏振光激发后的激发光的偏振度的研究。以波长为325nm 的He-Cd 激光器为光源，经检验其激发光为线偏振光。

因此，在偏振发光特性分析实验中，在光路激发光到达样品之前加入四分之一波片，使激发光转化为圆偏振光，之后再激发样品。在样品和光谱采集装置之间分布加入水平和垂直偏振两种检偏片。

通过光学显微成像调节样品位置及方向，使垂直检偏下，纳米棒取向与检偏片快轴方向平行（标记为0°，E//c），此时如果将检偏片快轴调整为水平检偏，则纳米棒取向与检偏片快轴方向垂直（标记为90°，E⊥c）。分别采集两种情况下ZnO 微米棒的发光光谱。

图3 偏振发光特性光路图

利用图3 所示的光路图对ZnO 微米棒进行测试，得到一组E//c 和E⊥c 的PL 光谱，如图4 所示。

可以发现，当偏振光的振动方向平行于样品的c 轴时，样品的发光强度较高，当偏振光的振动方向垂直于样品c 轴时，样品的发光强度很低，依据光谱数据，I//代入数据215，I⊥代入数据85，通过公式（1）计算出样品的偏振度约为0.43。

所以ZnO 微米棒形貌的各向异性可以使其被激发出偏振光。

4 结论

图4 E//c 和E⊥c 的PL 光谱

本文通过水热法成功制备了形貌较为均一的ZnO 微米棒，通过扫描电子显微镜观察到了其形貌较为均一；通过X 射线衍射实验得知其结晶质量良好；设计并搭建出了光路来表征其偏振发光特性，计算出了长径比约为33 左右的ZnO 微米棒样品的偏振度约为0.43，为其应用于偏振光的探测领域奠定了基础。