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『簡體書』纳米ZnO和稀土离子掺杂ZnO发光材料制备与发光机制

書城自編碼: 3198047
分類: 簡體書→大陸圖書→工業技術電子/通信
作者: 宋国利
國際書號(ISBN): 9787504678935
出版社: 中国科学技术出版社
出版日期: 2018-04-01
版次: 1

書度/開本: 16开 釘裝: 平装

售價:NT$ 312

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編輯推薦:
本书详细地介绍了发光的性质和特性,纳米ZnO材料的性质和特性,ZnO的晶体结构和物理化学性质,以及Re3 稀土离子的电子结构和发光特性。总结出了纳米ZnO 粉体胶体薄膜和稀土离子Er3 、Eu3 、Tb3 等掺杂纳米ZnO 发光材料的多种物理、化学的制备方法和制备过程要素。本书收纳了宋国利教授的毕生研究的精华,本文给出的方法、观点、结论,具有一定的学术价值和应用价值,可以为纳米半导体发光材料,尤其是纳米ZnO半导体发光材料领域的科学工作者提供参考。
內容簡介:
本文系统地介绍了有关发光物理学的基本概念;系统地阐释了纳米材料所特有的量子尺寸效应、量子限域效应、量子隧道效应和表面效应等介观物理特性;系统地介绍了ZnO 的晶体结构和物理化学性质,以及RE3稀土离子的电子结构和发光特性。给出了纳米ZnO粉体胶体薄膜和稀土离子Er3 、Eu3 、Tb3 掺杂纳米ZnO发光材料的多种物理、化学的制备方法和制备过程要素。本文重点讨论了纳米ZnO 本体和稀土离子掺杂ZnO 的可见发射机制问题。探究了纳米ZnO本体(包括粉体、胶体和薄膜等不同形态材料)和稀土离子(Er3 、Eu3 、Tb3 等)掺杂纳米ZnO 的发光机制和发光性质,探究了材料制备的温度和材料生长气氛对纳米ZnO 薄膜结构与蓝光发射的影响,探究了稀土离子掺杂浓度和退火温度对纳米晶ZnO∶RE3 发光性质的影响。
關於作者:
宋国利(1964-),男,哈尔滨人。哈尔滨学院物理系教授,科技处处长、《哈尔滨学院学报》主编;兼任省级(物理)实验教学示范中心主任,省级精品课程《热学》负责人,担任校物理学学科带头人,校物理重点专业带头人,校(物理实验)优秀教学团队带头人。兼任哈尔滨市政协科教文卫委员会副主任委员,哈尔滨市陶行知研究会会长,黑龙江省高教学会物理专业委员会副主任委员兼秘书长。主要学术研究方向为半导体发光材料制备与发光机制。在纳米ZnO发光材料制备与发光机制研究方向上,发表学术论文20余篇,其中SCI,EI,ISTP收录17篇;在第27届国际光子学会议、2009国际纳米光子学会议、第四届一维纳米材料国际会议和第五届、第六届、第八届全国光子学学术会议及2008年全国光学学术年会等学术会议上做专题学术报告8次;研究成果获得了黑龙江省自然科学技术学术成果一等奖1项、二等奖1项,黑龙江省高校科学技术二等奖1项、三等奖1项,哈尔滨市科技进步三等奖1项。
目錄
1
纳米发光材料   1
1.1 发射与激发   1
1.1.1 发光与发光中心   1
1.1.2 激发与发光效率   4
1.1.3 发光材料   6
1.2 发光光谱   6
1.2.1 发射光谱   7
1.2.2 吸收光谱   8
1.2.3 激发光谱   9
1.2.4 X 射线衍射光谱   11
1.3 纳米材料特性   12
1.3.1 表面效应   14
1.3.2 量子限域效应   15
1.3.3 量子隧道效应   15
1.3.4 量子尺寸效应   16
1.3.5 纳米半导体吸收带隙布鲁斯公式   16
ZnO 晶体结构和RE3稀土离子电子结构   19
2.1 ZnO 晶体结构和物理化学性质   19
第1 章
第2 章
目 

2
2.1.1 ZnO 的晶体结构   19
2.1.2 ZnO 的物理化学性质   21
2.2 RE3稀土离子的特征   24
2.2.1 RE3稀土离子的电子结构   24
2.2.2 RE3稀土离子发光特性   26
2.3 稀土元素掺杂ZnO 纳米材料的研究现状   28
纳米ZnO 和掺杂RE3稀土离子ZnO 发光材料的制备   32
3.1 纳米ZnO 粉体的制备   33
3.1.1 化学沉淀法制备纳米ZnO 粉体   33
3.1.2 高温固相制备纳米ZnO 粉体   35
3.1.3 水热法制备纳米ZnO 粉体   35
3.1.4 微乳液法制备纳米ZnO 粉体   36
3.2 纳米ZnO 胶体的制备   36
 溶胶凝胶法制备纳米ZnO 胶体   36
3.3 纳米ZnO 薄膜的制备   37
3.3.1 溶胶凝胶法制备纳米ZnO 薄膜   38
3.3.2 射频磁控溅射方法制备ZnO 薄膜   38
3.3.3 脉冲激光沉积法制备ZnO 薄膜   39
3.3.4 分子束外延法制备ZnO 薄膜   40
3.3.5 金属有机物化学气相沉积法制备ZnO
薄膜   40
3.3.6 原子层外延法制备ZnO 薄膜   41
3.3.7 喷雾热解法制备ZnO 薄膜   42
3.4 纳米ZnO∶RE3的制备   43
3.4.1 纳米ZnO∶Er3的制备   43
3.4.2 纳米ZnO∶Eu3的制备   43
3.4.3 纳米ZnO∶Tb3的制备   44
第3 章
3
纳米ZnO 本体发光机制   49
4.1 纳米ZnO 本体的可见发射机制   50
4.1.1 纳米ZnO 粉体的可见发射机制   50
4.1.2 纳米ZnO 胶体的可见发射机制   54
4.1.3 纳米ZnO 薄膜的可见发射机制   59
4.2 退火温度对纳米ZnO 薄膜可见发射的影响   63
4.3 气氛对纳米ZnO 薄膜结构与蓝光发射的影响   67
RE3稀土离子掺杂ZnO 发光机制的研究   76
5.1 稀土离子Er3掺杂纳米ZnO 发光机制   77
5.1.1 ZnO∶Er3纳米晶的发光机制   77
5.1.2 退火温度对纳米晶ZnO∶Er3发光性质的
影响   82
5.2 稀土离子Eu3掺杂的纳米ZnO 发光机制   86
5.2.1 ZnO∶Eu3纳米晶的发光机制   86
5.2.2 退火温度对纳米晶ZnO∶Eu3发光性质的
影响   91
5.3 稀土离子Tb3掺杂的纳米ZnO 发光机制   95
5.3.1 ZnO∶Tb3纳米晶的发光机制   95
5.3.2 退火温度对纳米晶ZnO∶Tb3发光性质的
影响   99
5.3.3 稀土离子掺杂浓度对纳米晶ZnO∶Tb3
发光性质的影响   103
索 引   110
后 记   115
第4 章
第5 章
4
Chapter 1 Luminescent Nanomaterials 1
1.1 Emission and Excitation 1
1.1.1 Luminescence and Luminescent Center
1
1.1.2 Excitation and Luminescence
Efficiency 4
1.1.3 Luminescent Materials 6
1.2 Luminescent Spectrum 6
1.2.1 Emission Spectrum 7
1.2.2 Absorption Spectrum 8
1.2.3 Excitation Spectrum 9
1.2.4 X-ray Diffraction Spectrum 11
1.3 Properties of Nanomaterials 12
1.3.1 Surface Effect 14
1.3.2 Quantum Confinement Effect 15
1.3.3 Quantum Tunneling Effect 15
1.3.4 Quantum Size Effect 16
1.3.5 Brus Formula for Absorption Band Gap
of
Nano-semiconductor 16
Chapter 2 ZnO Crystal Structures and
Electron Structures of RE3
CONTENTS
5
  Rare Earth Ions 19
2.1 ZnO Crystal structures and
physicochemical properties 19
2.1.1 Crystal structures of ZnO 19
2.1.2 The physical and chemical properties
of ZnO 21
2.2 The features of RE3rare earth ions
24
2.2.1 Electron structures of RE3rare
earth ions 24
2.2.2 Luminescence characteristics of RE3
rare earth ions 26
2.3 The research status of rare earth doped
ZnO nanomaterials 28
Chapter 3 Preparations of ZnO nanomaterials
and RE3rare earth
  Ions doped ZnO luminescent materials 32
3.1 Preparation of ZnO nano-powder 33
3.1.1 P reparation of ZnO nano-powder by
chemical precipitation
method 33
3.1.2 P reparation of ZnO nano-powder by
high temperature solid
phase 35
3.1.3 P reparation of ZnO nano-powder by
hydrothermal
method 35
3.1.4 Preparation of ZnO nano-powder by
microemulsion
method 36
3.2 Preparation of ZnO nano-colloid 36
P reparation of ZnO nano-colloid by Sol-gel method 36
3.3 Preparation of ZnO nano-thin film 37
3.3.1 P reparation of ZnO nano-thin film by
Sol-gel method 38
3.3.2 P reparation of ZnO nano-thin film by
RF magnetron
sputtering 38
3.3.3 P reparation of ZnO nano-thin film by
pulsed laser
6
deposition 39
3.3.4 P reparation of ZnO nano-thin film by
the molecular beam
epitaxial method 40
3.3.5 P reparation of ZnO nano-thin film by
chemical vapor
deposition of metallic organic compounds 40
3.3.6 P reparation of ZnO nano-thin film by
atomic layer
epitaxy 41
3.3.7 P reparation of ZnO nano-thin film by
spray pyrolysis 42
3.4 Preparation of nano-ZnO∶RE3 43
3.4.1 P reparation of nano-ZnO∶Er3 43
3.4.2 P reparation of nano-ZnO∶Eu3 43
3.4.3 P reparation of nano-ZnO∶Tb3 44
Chapter 4 Luminescence mechanisms of
nano-ZnO 49
4.1 Visible luminescence mechanisms of
nano-ZnO 50
4.1.1 The visible emission mechanisms of
ZnO nano-powder 50
4.1.2 The visible emission mechanisms of
ZnO nano-colloid 54
4.1.3 The visible emission mechanisms of
ZnO nano-thin film 59
4.2 The effects of annealing temperature on
the visible emission
  mechanisms of ZnO nano-thin film 63
4.3 The effects of atmosphere on the
structures of ZnO nano-thin film and
  blue emission 67
Chapter 5 Luminescence mechanisms of RE3
rare earth ions
  doped ZnO 76
5.1 Luminescence mechanisms of Er3doped
nano-ZnO 77
5.1.1 Luminescence mechanisms of ZnO∶Er3
nanocrystal 77
7
5.1.2 Effects of annealing temperature on
luminescence
properties of ZnO∶Er3nanocrystal 82
5.2 Luminescence mechanisms of Eu3Rare
Earth I ons doped
  nano-ZnO 86
5.2.1 Luminescence mechanisms of ZnO∶Eu3
nanocrystal 86
5.2.2 Effects of annealing temperature on
luminescence
properties of ZnO∶Eu3nanocrystal 91
5.3 Luminescence mechanisms of Tb3Rare
Earth I ons doped
  nano-ZnO 95
5.3.1 Luminescence mechanisms of ZnO∶Tb3
nanocrystal 95
5.3.2 Effects of annealing temperature on
luminescence properties
of ZnO∶Tb3nanocrystal 99
5.3.3 The effects of rare Earth ion doping
concentration on
luminescence properties of ZnO∶Tb3nanocrystal
103
Index 110
Postscript 115
內容試閱
这是一部关于纳米ZnO 本体和稀土离子掺杂ZnO 发光材料制备与发光机制的研究综述。
自20 世纪末以来,关于多种纳米结构材料的合成制备、纳米材料的微结构以及它不同于宏观体材料的物理化学特性的相关研究取得了显著进展,纳米材料的研究已成为国际上材料科学特别活跃的研究领域,引起了物理学、化学、材料科学工作者的特别关注,激发了他们的研究热情。
1996年,香港科技大学的Yu 等学者发表了Room
temperature stimulated
emission from ZnO quantum dot films,利用激光分子束外延(laser
molecular
been epitaxy,L-MBE)方法制备了纳米ZnO 薄膜,首次在室温下观测到光抽运紫外受激发射(=378 nm)。这项伟大的成果引起了该领域专家们的极大关注,Science 以Will UV lasers beat the blues?为题,给予高度评价,称之为a
great work,同时激发了更多的物理学、化学、材料科学工作者对纳米ZnO 的研究热情,纳米ZnO激光发光材料的制备与光电特性的研究迅速成为了半导体光电子领域前沿中的研究热点。
ZnO 为纤锌矿六方结构的直接带ⅡⅥ族半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,在导带下60 meV处,具有更低的激子能级,生长温度低,化学稳定性高。纳米材料的量子尺寸效应和量子限域效应,使得纳米ZnO的禁带宽度增加,紫外吸收发生蓝移,是一种适合于室温或更高温度下的蓝绿可见发射和紫外发射材料。因此,纳米ZnO 成为制备短波长激光、发光半导体重要的候选材料。
ZnO具有优异的光电性质,在光电通信、光电信息处理、激光打印、彩色显示、紫外探测器、光电传感器、太阳能电池窗口的透明电极、场致发射显示、紫外激光发光二极管(light emitting diode,LED)等光电子领域里有着重要的应用前景。
尽管ZnO发光性质的研究已经经历了几十年的发展,但是关于ZnO的可见发射机制目前尚无定论,原因在于ZnO∶Zn 磷光的发光机制和发光中心的起因很难理解。有关ZnO 可见发射机制的探讨,具有较重要的学术价值和应用价值,是国际上半导体材料研究的热点。
本文系统地介绍了有关发光物理学的基本概念;系统地阐释了纳米材料所特有的量子尺寸效应、量子限域效应、量子隧道效应和表面效应等介观物理特性;系统地介绍了ZnO 的晶体结构和物理化学性质,以及RE3稀土离子的电子结构和发光特性。给出了纳米ZnO粉体胶体薄膜和稀土离子Er3 、Eu3 、Tb3 掺杂纳米ZnO发光材料的多种物理、化学的制备方法和制备过程要素。
本文重点讨论了纳米ZnO 本体和稀土离子掺杂ZnO 的可见发射机制问题。探究了纳米ZnO本体(包括粉体、胶体和薄膜等不同形态材料)和稀土离子(Er3 、Eu3 、Tb3 等)掺杂纳米ZnO 的发光机制和发光性质,探究了材料制备的温度和材料生长气氛对纳米ZnO 薄膜结构与蓝光发射的影响,探究了稀土离子掺杂浓度和退火温度对纳米晶ZnO∶RE3 发光性质的影响。
本文给出的方法、观点、结论,具有一定的学术价值和应用价值,可以为纳米半导体发光材料,尤其是纳米ZnO半导体发光材料领域的科学工作者提供参考。鉴于水平有限,其中的错误与不妥之处,敬请指正。



我的朋友李亮给我发来他绘著的知识普及著作《趣谈中华水文化》,并请我为这本书作序。李亮大约10年前在清华大学新闻与传播学院在职攻读硕士学位,我是他的论文导师。10年来我和他风宜尽在师友间,时有聚谈交流。李亮在我的印象中一直是水利领域的专业编辑和出版人。但这次,从来只为人作嫁衣的他推出了自己作文绘图的知识普及读本,令我意外之余也十分感佩,于是欣然答应为其作序。
水是生命之源。自古以来,无论中西文明,水都被看作是自然和生命中基本的存在形态之一。在中国传统文化中,水不仅是生命之源,还代表了某种文化和精神方面的品质和特性。人们从水利万物而不争,虽柔弱但攻坚强者莫之能胜,逐渐悟出了上善若水的水性哲学。金、木、水、火、土五行相生相克,生生不息,构成了中华民族传统文化对生命和自然演变之天道的初解释框架。
在这本由十余篇图文并茂的趣谈构成的水文化小书中,李亮从不同的角度,对水作为一种自然与造化之力,千百年来如何为人们所认知和利用,做了饶有趣味、令人耳目一新的描述。把我们耳熟能详的中华文化和历史故事,从水这一维度,做了重新解读,引人入胜。作者夹叙夹议,图文相映成趣,诙谐又不失真实,叙述严谨、精辟。
作者从大禹治水催生中国历史上第一个王朝国家(夏朝)开始全书的叙述,以史家的笔触评述道:在中国历史上,从大禹开始,各个王朝的统治者,从来不把治水作为单纯的技术问题,而是作为重大政治问题来对待。由此奠定了本书趣谈背后开阔的格局和视野。把治水看作一种政治活动,这样的视野把大禹治水和如今的五水共治这两个相隔上下五千年的治水故事一下就打通了,这样精彩的例子在全书中比比皆是。总体而言,这本不到150页的水文化知识普及读物,十余篇趣谈选题灵活,思路开阔,将政治、经济、军事、地理、历史各个方面的知识和史料有机结合,文采斐然,图文并茂,可读性极强,是我近年来所接触过的知识普及读物中的上佳之作,而这竟然只是作为科技类图书编辑的李亮跨界出击的业余之作,实在可圈可点,可敬可佩。
虽然近年来在电影圈,演而优则导者不乏其人,但大多也只是试水几部而已,真正有条件尝试、敢于尝试的并不多,尝试成功并华丽转型的更是少之又少。学而优则仕是中国文化的一个传统,且迄今仍是诸多领域人才选拔的一种思路和模式。在体育和学术领域,这类成功案例的确比比皆是。而一些专业人士的跨界出击,则大多如本书作者李亮一样,在自信和好奇心驱动下所致,进行业余创作。常言道久病成医,一个长期接触某方面材料和知识内容的编辑,虽然其工作性质是为他人作嫁衣,但也是有可能成为这方面的专家或准专家的。专业编辑工作的性质,决定了编辑具备这种编而优则书的可能。
但从编辑转向作者是有风险的。因为编辑和著述,对创作的内容和创造性程度的要求是不同的。特别是对于有较高专业门槛的专业内容写作,通常不经过专业训练,是很难进行的。但是,如果编辑有心并且好学,特别是像李亮这样,既有水利专业的学科背景,又有个人长期工作的积累,外加兴趣爱好作为持续进修的不竭动力,那么一个编辑也是完全有可能在其原本只是为他人作嫁衣的领域,有一份自己的创作天地的。通常,一种比较合理的取径,是编辑选择一个属于交叉学科的、带有一定科普性质的领域、方向或课题进行准专业研究或内容创作。
这种业余创作在当今社会化媒体时代尤其具有重要的社会文化意义。在移动互联的社会化媒体时代,社会大众对精神文化产品的需求和消费能力也变得空前强劲。在这样的情况下,社会对信息和内容产品的多层次差异化需求,必然需要通过社会多种方式的内容生产机制进行协作来满足,包括像李亮这样以多年的水利水电领域专业编辑身份从事水文化方面的内容著述。在当今这个文化大发展、大繁荣的时代,我们需要更多优质的、面向不同文化消费水平和口味的精神文化产品;而时代和技术环境的变迁为更多的人打破传统的社会分工桎梏提供了全新的机遇和可能。编辑作为连接作者和读者的桥梁,适当从事一些跨界创作,不仅是可能的,而且具有独特的价值和优势。他们跨界创作的作品,往往能够成为填补某方面空白的令人惊喜之作。这本《趣谈中华水文化》就是明证。
因此,我要再次祝贺李亮的这一厚积薄发的努力和尝试所结出的亮丽果实。读者应该相信,一个资深编辑的心血之作,肯定会是一部经过严格自我把关的作品,值得您和您的孩子花点时间阅读。
金兼斌
2017年12月10日于清华园
智者乐水而观乎人文


我的朋友李亮给我发来他绘著的知识普及著作《趣谈中华水文化》,并请我为这本书作序。李亮大约10年前在清华大学新闻与传播学院在职攻读硕士学位,我是他的论文导师。10年来我和他风宜尽在师友间,时有聚谈交流。李亮在我的印象中一直是水利领域的专业编辑和出版人。但这次,从来只为人作嫁衣的他推出了自己作文绘图的知识普及读本,令我意外之余也十分感佩,于是欣然答应为其作序。
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但从编辑转向作者是有风险的。因为编辑和著述,对创作的内容和创造性程度的要求是不同的。特别是对于有较高专业门槛的专业内容写作,通常不经过专业训练,是很难进行的。但是,如果编辑有心并且好学,特别是像李亮这样,既有水利专业的学科背景,又有个人长期工作的积累,外加兴趣爱好作为持续进修的不竭动力,那么一个编辑也是完全有可能在其原本只是为他人作嫁衣的领域,有一份自己的创作天地的。通常,一种比较合理的取径,是编辑选择一个属于交叉学科的、带有一定科普性质的领域、方向或课题进行准专业研究或内容创作。
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因此,我要再次祝贺李亮的这一厚积薄发的努力和尝试所结出的亮丽果实。读者应该相信,一个资深编辑的心血之作,肯定会是一部经过严格自我把关的作品,值得您和您的孩子花点时间阅读。
金兼斌
2017年12月10日于清华园

 

 

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