掺杂伽马相氧化镓纳米晶的合成及其在固体白光照明中的应用

γ-phase gallium oxide is one kind of important wide band gap semiconductors which exhibits good chemical stability and excellent optical and electrical properties. r-phase gallium oxide nanocrystals prepared by high-temperature solution-phase method have a defect spinel structure with many oxygen vacancies and oxygen-gallium vacancy pairs. This kind of defect-rich structure allows the nanocrystals to be conveniently doped with varies dopants. We intend to dope the gallium oxide nanocrystals with various elements using the high-temperature solution-phase method, and systematically investigate the key factors which influence the doping process. We will investigate the optical emission of the gallium oxide nanocrystals doped with luminous ions and their relationship with the intrinsic defect emission. We intend to investigate the conductivity of nanocrystals doped with indium, aluminum, tin, titanium, zirconium ions, confirm the relationship between the doping level and the conductivity, free electron concentration and the band gap structure. We will use the doped nanocrystal to prepare photoluminescent and electroluminescent devices, and fabricate high efficiency LED.

伽马相氧化镓是一种重要的宽禁带半导体材料，具有良好的化学稳定性和优异的光电性能。高温液相法制备的伽马相氧化镓纳米晶为缺陷尖晶石结构，其表面和内部存在较多氧空位，氧-镓空位对等缺陷，这种多缺陷结构使其易于进行杂原子掺杂。本项目拟从氧化镓纳米晶的高温液相合成出发，利用多种元素对氧化镓纳米晶进行掺杂，对影响氧化镓纳米晶掺杂的关键因素及其掺杂机理进行系统研究。合成含发光离子组分的掺杂氧化镓纳米晶，研究不同发光离子掺杂后的发光特性及对纳米晶本征发光光谱的影响；合成铟、铝、锡、钛、锆离子掺杂的纳米晶，研究其电导性，确定不同掺杂元素、掺杂量对其电导性、自由电子密度及能带结构的影响。利用掺杂纳米晶组装电致发光及光致发光器件，制备高效白光LED。

本项目针对目前固体白光照明中荧光材料存在的发光效率、显色指数等方面的问题和缺陷，提出利用新型掺杂半导体纳米晶来制备荧光材料。主要的研究内容包括以下几点：.1）通过表面活性剂油酸钠的结构导向作用，用简单的水热法合成了一种同时暴露{111}晶面和{110}晶面的ZnGa2O4单晶纳米片，同时，用水热法和离子交换法合成出了暴露{110}晶面和{100}晶面的ZnGa2O4纳米片和纳米立方块。对其光学性质、光吸收、光生电子空穴对及其催化性质做了系统研究。.2）采用通常所用的水热法，在乙二胺的模板作用下，低温合成了未掺杂（ZnGa2O4）、Mn2+掺杂（ZnGa2O4:Mn2+）以及Cr3+掺杂（ZnGa2O4:Cr3+）的纳米发光材料，这些发光材料由5 μm大小的纳米花组成，每个纳米花又由6-10 nm的纳米薄片级次结构组成，在紫外光照下ZnGa2O4、ZnGa2O4:Mn2+以及 ZnGa2O4:Cr3+分别通过自激发、Mn2+激发和Cr3+离子激发显示蓝、绿、红三基色。制备的ZnGa2O4、ZnGa2O4:Mn2+和ZnGa2O4:Cr3+分别作为蓝光、绿光、红光发光基元材料，成功调制出白光LED。.3）在前期工作的基础上，积极探索新型发光材料的合成制备。目前钙钛矿发光材料是研究中的热点材料，我们通过简单的常温搅拌合成钙钛矿CsPbBr3纳米线，实验证明了其组分可以通过氯、碘掺杂调节，而且其纳米线直径、长度均可简单调节，制备所得纳米线缺陷少，发光量子产率高，值得进一步研究。.通过实验，取得了以下重要结果：.通过实验，主要取得了以下重要进展及结果：.1）通过不同形貌镓酸锌纳米晶的制备，证实了表面活性剂可有效调控半导体纳米晶的暴露晶面，对纳米晶的可控合成提供了重要手段。.2）通过ZnGa2O4:Mn2+和ZnGa2O4:Cr3+两种掺杂纳米片层的制备，研究了光学活性离子在二维纳米片层内的掺杂，为进一步的二维光学材料制备提供了实验验证。而制备所得的ZnGa2O4、ZnGa2O4:Mn2+和ZnGa2O4:Cr3+分别作为蓝光、绿光、红光发光基元材料，在固体白光照明中有潜在应用。.3）充分利用表面活性剂，在室温下合成高质量低缺陷的钙钛矿CsPbBr3纳米线，为钙钛矿型材料的合成与发展提供了新的思路。