ZnO纳米管的拉曼光谱学研究解析Word格式.docx
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拉曼光谱;
极性;
激发波长
中图法分类号:
O657137 文献标识码:
A
RamanSpectrain-SONG1,,XIN1,YUDa2peng1,ZHANGShu2lin1
（1.of,Beijing,100871China;
2.SchoolofElectronics
ComputerScience,PekingUniversity,Beijing,100871China
Abstract:
WithanalyzingRamanSpectraofZnObulk2andnano2tubesamplesexcitedbydiffer2entwavelengths,itisfoundthatthepositionoftheRamanpeaksisunchanged.Itmaymeanthatthereisnoobvioussizeconfinementeffectinpolarsemiconductornano2scalesystems.
Keywords:
RamanSpectrum;
polarsemiconductors;
nano2scalematerials
ZnO是Ⅱ-Ⅵ族半导体,在室温下能隙为3.36eV。
因其良好的光学、电学、压光、压电性质,及强化学稳定性和高熔点,广泛应用于各种光电学系统,如光散射仪器、光探测器、场致发光仪器、非线性光学仪器、太阳能电池、透明传导层、体声波仪器、表面声波仪器等。
拉曼光谱学能给出丰富的有关晶态状况以及元激发的结构和运动,如晶格扭曲、原子漂移、晶体缺陷和相变等信息,已经成为研究材料微结构的便捷手段之一[1,2]。
本文通过ZnO纳米管样品位于100~600cm-1之内的拉曼谱,研究了极性半导体纳米材料的拉曼光谱学特征。
在纳米体系中,尺寸限制效应是它的基本效应之一[1]。
对于拉曼光谱,尺寸限制效应主要表现为随体系尺寸减小,拉曼频率和谱线将产生移动和展宽[3,4,5,6]。
对声学声子的限制导致了在拉曼谱的低频部分出现新的振动模式[7],而光学声子的谱线也会趋向明显的不对称[3]。
尺寸限制效应是由于不在布里渊区中心的声子也对拉曼谱有贡献而引起的[7]。
而在尺寸存在分布的纳米体系中,尺寸限制效应还表现为共振尺寸选择效应[8],即随激发光波长变化,拉曼频率和谱线也将产生移动和展宽。
ZnO是单轴极性晶体,各向异性的差别远比LO-TO模的差别小[7]。
这说明晶体中弹性恢复力各向异性的作用远小于极化电场的库仑力的作用[9]。
通过以前各种非极性晶体的拉曼谱研究得到,相比TO模和E2模,LO模对尺寸限制效应和共振拉曼效应更为敏感[7]。
但是不能确认在极性晶体
・
301・ΞΞΞ通讯联系人:
slzhang@pku.edu.cn
收稿日期:
2003207222
基金项目:
国家自然科学重大基金（60290083,面上基金（50272017
第16卷 第2期
2004年7月光 散 射 学 报CHINESEJOURNALOFLIGHTSCATTERINGVol116 No12July12004
中是否也会这样。
本文将报告尺寸限制效应对ZnO纳米管拉曼谱影响的初步研究结果。
文中纳米管样品E是用对Zn和ZnO粉末混合物进行热蒸发的方法得到的;
ZnO纳米管收集在Si衬底上。
作为比较用的ZnO体材料A是市售的分析纯粉状化学试剂的压片。
实验采用488nm、515nm、633nm、785nm四种激发波长,分别在Renishaw2000和1000的系统上进行。
图1是用515nm激发的ZnO体材料A的拉曼光谱,表1列出了光谱的频率和指认。
在图1的拉曼谱中,我们发现,在330cm-1附近被人们指认为2E2模的峰形是不对称的。
考虑到A样品是体材料样品,一般不可能出现峰形不对称,因此,我们认为这个不对称的峰是由两个对称的峰耦合而成。
其中一个峰位于320cm-1附近,可能是产生3个低频E2模而形成的3E2模。
而另一个位于331cm-1附近的峰,可能是湮灭一个低频E2模并产生一个高频E2模而形成的2E2模,也就是之前被指认的峰
。
Fig.1 TheRamanSpectrumofsampleA.
Table1 ThepositionofRamanpeaksofsampleAwiththeexcitationwavelengthof515nm
模
3E22E2A1TE1TE2（H?
2LAA1LE1L515314331385426437493539572584
考虑到二级拉曼散射的波矢关系,既然能形成上述差频的2E2模,那么也会出现和频和泛频的2E2模。
对于和频的2E2模和产生两个低频E2模的泛频2E2模,其峰位会在538（=437+101和202（=101+101cm-1附近。
而Rajalakshmi等人将539和205cm-1这两处的峰指认为2LA和2TA模[7]。
所以,这两个峰的指认还有待确证。
图2是不同波长激发的ZnO纳米管的拉曼光谱,光谱的峰值频率列于表2。
图3是ZnO纳米管样品E的光致发光谱。
图3显示,样品出现了在360和650nm处有二个尖峰的很宽的发光带;
表明我们所用的激光能量处于共振能量范围。
Table2 ThepositionofRamanpeaksofsampleEwithdifferentexcitationwavelength
3E22E2A1TE1TE2（H?
?
Si2LAA1LE1L488
319332*********475520574583515
314332382418437520540570583633
325333381410436495520573582
785318332381423438520572・
401・ 第2期ZnO纳米管的拉曼光谱学研究2004年
Fig.2 TheRamanSpectrumofsampleE比较图1和图2,首先,,2E2和E2（H拉曼峰,我们发现。
其次,通过对图2拉曼谱的比较,我们可以看出A,不同波长激发的拉曼谱中的峰位基本没有移动。
这些现
Fig.3 RoomtemperaturephotoluminescenceofsampleE.
ZnO是极性半导体材料,不同于非极性半导体,存在很强的长程库仑作用。
如果库仑作用范围估计在10~100nm量级,那么,对于块状材料,原子离子排列的周期性基本不受库仑作用的干扰。
但是到了纳米尺度,材料的尺度与库仑作用距离在同一量级,离子的排列与振动将受到极大干扰。
于是,传统意义上的周期性排列实际上不再存在,也就是长程有序不再存在。
而因为近邻原子间的排列尺寸在0.1nm,因而,可以把原子看成依然在一个均匀场中,表征近邻原子排列特性的短程序依然保持。
结果,拉曼散射不再具有长程有序的特点,而像非晶那样只反映短程序的散射特征;
建立在宏观晶体理论基础上的尺寸限制效应不再在ZnO纳米管出现也就可以理解了。
综上所述,我们在极性半导体ZnO纳米管材料中,观察到了尺寸限制效应不再起作用的现象,并给出了初步的解释。
作者感谢国家自然科学基金委的重大基金No.60290083和面上基金No.50272017以及中国科学院红外物理国家重点实验室开放课题基金对本研究工作的资助。
501・第16卷 第2期
参考文献:
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・601・ 第2期ZnO纳米管的拉曼光谱学研究2004年
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