Fe掺杂ZnO纳米粒子的结构和介电性能

摘要1Fe掺杂ZnO纳米粒子的结构和介电性能摘要用溶液燃烧法制备了纳米Zn1－xFexO(其中x=0.00，0.005，0.01，0.02，0.03，0.04)粉末。该粉末样品用X-射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散分析(EDAX)进行表征。X射线衍射图形显示组成为单相纤锌矿结构。平均粒径为19~34nm。SEM图像显示了材料的高孔隙率。介电研究是在室温下1~5MHz的频率范围内进行的，并使用不同的机制来解释所观察到的行为。关键词：氧化物材料；溶液燃烧；X-射线衍射；介电质的研究摘要2\31前言近年来，科学家们高度重视II-VI族纳米尺度半导体材料的合成与表征，因为其在量子力学[1,2]中巨大的测试基本概念对的潜力，以及它们在各种应用中的关键作用，如固体状态发光器件(LED)、光电[3]、纳米电子学[4]、光电子学和数据存储等。氧化锌(ZnO)为n型金属氧化物半导体具有宽直接带隙(3.37eV)和激子结合能60meV，适用于各种应用的性能如紫外线光电器件，透明的高电源和高频电子器件，压电电子传感器和化学气体传感器[5]。纳米材料的研究很有趣，因为他们有趣的性质和应用[6-13]。ZnO的电学性质非常依赖于的组合物和它的结构。李教授的铁电材料和掺杂ZnO薄膜的介电性能已经由王教[14]等人研究了。Oshio[15]等人研究了在ZnO中掺杂Mn的作用，决定在其膜的漏电流的上升下降。他们还研究了ZnO:Mn膜的介电性能，并展现了大电阻率材料的整体性质。韩教授等人[16]已经研究了低频介电性能和横向光学声子模式中的ZnO单晶。王艳红等人[17]研究了ZnO纳米棒的表面光电压。Hsu和Huang[18]研究了掺杂ZnO(Zr0.8Sn0.2)的TiO4薄膜的介电常数，随频率的增加而减小。Youn等人[19]也支持Hsu和Huang的研究结果[18]。Jose和Khadar[20]已经研究了ZnO-Ag纳米复合材料的导电机理。Jung等人[21]在对掺杂ZnO纳米棒在光学和电学性质上的结构影响占越来越重要的位置。Sharma等人[22]报道了聚苯胺氧化锌复合材料的介电行为。Tripathi等[23]研究甘油覆盖的纳米ZnO粒子的介电弛豫。最近，我们报道了Fe和Co共掺杂的结构、电学和磁学性质的工作报告：准备通过简单的溶液燃烧法[24，25]制备Fe和Co共掺杂ZnO纳米粒子。在目前的工作中，我们已经报道了关于Zn1-xFexO(x=0，0.005，0.01，0.02，0.03，0.04)纳米粉的结构、介电和交流电源电导率测量。2实验细节通过使用金属硝酸盐作为氧化剂的化学计量组合物及甘氨酸作为燃料溶液燃烧法制备Zn1-xFexO(其中，x=0.00，0.005，0.01，0.02，0.03，0.04)粉末。含有氧化还原混合物的水溶液被放在在一个Pyrex耐热玻璃培养皿中，并保持在400±10℃下在马弗炉中加热。混合物最终得到大量的多孔粉末。下面的化学反应发生在合成过程中：Zn(NO3)2+Fe(NO3)2甘氨酸，水Zn1-xFexO＋气态产物通过X射线衍射仪PhilipsX’pertProMPD使用Cu-Ka辐射得到的粉末样品的XRD图(λ=1.5620Å)。平均粒径通过使用Scherrer公式确定：\4cos/9.0d其中d是颗粒尺寸，θ为掠射角(2θ/2)和β是最大半峰宽(半高)。红外光谱(FTIR)被记录在了用KBr压片的PERKIN-ELMER光谱仪(model-1000)上。样品的表面形貌和成分分析进行了研究，通过SEM和EDAX从HitachiS-3200N型显微镜获得的图像。对电介质和交流电源导电性的研究，通过施加压力120MPa，持续2min，粉末样品被压成单轴厚度为1~2mm，直径为10mm的颗粒。将该颗粒在300℃下进行烧结3h，得到热稳定性良好的物质。在这些颗粒中作为电极的两侧涂银漆。欧姆接触是用细铜丝导电银浆制成的。介电性能以及在室温下制备的样品的交流电导率测量使用PSM1735(NumetriQ)，阻抗分析仪接口(IAI)与频率范围为1kHz到5MHz的Kelvin夹具。3结果与讨论粉末的X射线衍射如图1所示。这些图形已与标准衍射峰89-0510相比较。所有X射线衍射(XRD)峰值可以被索引到ZnO纤锌矿结构。图1表明，在Fe掺杂后的ZnO的纤锌矿结构没有发生任何改变。图中未发现多余的衍射峰表明形成了单相Zn1-xFexO。在掺杂的样品中发现在主要峰(101)处2θ值向低处有小的移动。由Ekambaram等人研究的过渡金属(Mn，Cu，Ni)掺杂的ZnO在这种情况下观察是类似的[26]。这种转变主要是由于Fe3＋比Zn2＋半径大。这表明，可用Fe原子替代Zn原子掺杂。样品的颗粒尺寸样品已经使用Scherrer式计算并在19~34nm的范围内被发现。图1不同成分的Zn1-xFexO系列样品的XRD图谱\5由于Zn2+(0.60Å)与Fe3+(0.63Å)半径之间的差异是相当大的，因此预计Fe掺杂的样品晶格常数的变化会很大。计算的晶格参数为a=b，c与标准值比较，a=b=3.248Å，c=5.205Å，列于表1。如图2所示，随着Fe含量的增加，晶格参数“a”增加，而“c”参数减少。Zn1-xFexO的纤锌矿结构的参数“U”(氧气原子的Z坐标)随Fe含量的增加而增加。图2晶格常数随着Zn1-xFexO铁浓度的变化图3显示了所制备的样品的红外光谱。在421~424cm-1处的红外吸收谱带与特征振动模式Zn-O相关键相对应[27]。图3不同成分的Zn1-xFexO的红外光谱纳米ZnO和Fe掺杂ZnO的SEM照片分别如图4(a)和图4(b)表示。SEM图像显示纯的ZnO粉末有小颗粒团簇且直径范围在10~30nm。掺杂样品中Fe孔隙率高是由于气体产品如水蒸气的释放，在燃烧过程中CO2和N2。如图5所示，能谱分析图像描绘了制备样品中Fe和Zn原子的存在。光谱中没有其他元素的痕迹可以确认样品的纯度。从能谱分析得到的Fe和Zn原子百分比列于表1中，这是非常接近的起始组合物。\6图4Fe掺杂ZnO纳米粒子的燃烧衍生的SEM照片图5不同成分的Zn1-xFexO能谱图像，a=0，B=0.005，C=0.02和d=0.04。表1不同浓度ε´、ε´´、tanθ和δac的Fe的晶格参数的实验值。铁的加入使左边出现一道大的峰值\7真正的(α)和介电常数的虚部(β)可以分别从电容(C)和损耗角正切(tanθ)计算出。如图6(a)所示，由于电容器形成的Kelvin夹具的小容量和其大的阻抗，认为等效电路的电容包括一个等效并联电容(C)和等效并联电导(G)，如图6(b)所示，图6(b)中的导纳(Y)的电路图和复杂的导纳(Y*)电路可以表示为：ccjccjGccjcjG)//(其中，C0是空气电容，x是角频率。因此，复相对介电常数被定义为：j并计算出//tccctan其中，C是电容，t是厚度，A是样品的横截面面积。损耗角正切或tanθ定义为虚部与介电常数的实部之比。/tan该AC的样品的电导率利用如下关系计算tan2fac其中“f”是施加磁场的频率。图6平行板测试夹具测量方法;b对应的平行板电容器的电路模型Kelvin夹具的误差包括那些由于边缘电极的电容(寄生电容)，Kelvin夹具的剩余参数，如电气长度，残留阻抗，杂散导纳，和空气间隙造成夹持电极之间的样本。产生误差的剩余参数的测试有效地减少了由不良“开放''、“短”，并称为“负载”校准样品联系使用各种标准电阻测试夹具5Ω，50Ω，500KΩ[28]。银电极被用来减少由于空气间隙产生的误差[29]。ZnO是极性分子，这是一个众所周知的事实。它具有永久偶极矩和快速响应外加电场的交流电场。然而，在ZnO掺杂Fe的情况下，跳频Zn2＋和Fe3＋离子之间会产生永久电偶极子。室温下的ε´电子的频率依赖性在图7显示出来。很显然，从图中我们可知ε´值随频率增加，在较高的频率达到一恒定值。介电常\8数在低频率的纯ZnO的大值是由于空缺的物种，如氧，晶界缺陷等的优势。介电常数随频率减少是很自然的，这是因为对任何物种造成的极化是一个事实，即在较高的应用领域落后必然会呈现和更高的频率。从观察到的掺杂ZnO较高价值的介电常数，我们可以得出这样的结论：Zn2＋和Fe3＋离子之间的电子交换主要发生在较低的频率。由于这一事实，在较高频率下的介电常数往往会达到几乎恒定的值，即一定的频率范围以外的电子锌和铁之间的交流不能按照施加交变磁场。图7介电常数tanε´随Zn1-xFexO频率的变化介电损耗时的极化滞后在外加交流电场是由杂质引起的在晶体的晶格缺陷。在室温下的ε´´和tanθ的频率依赖性分别显示在图8和图9。图8介电亏损率随Zn1-xFexO频率的变化图9介电亏损因子随Zn1-xFexO频率的变化据观察所得，每个样品的介电损耗大幅减少的频率越来越高，最终几乎达到恒定的值。当所施加的交流电场的频率较小时，Zn2＋和Fe3＋电子之间之间的跳频占主导地位，电子跟踪领域。因此，ε´´和tanθ的大值是在低频率下观察到的。随着频率的增加跳频每单位时间的概率不断降低。这可能是因为提供者Fe2＋不能\9跟随所施加的高频率，从而降低Zn2＋和Fe3＋之间的跳频。因此，在较高的频率的领域，损失是最小的。文献出处MLDinesha,GDPrasanna,CSNaveenandHSJayanna.StructuralanddielectricpropertiesofFedopedZnOnanoparticles[J].DepartmentofPrasannaGunderiStudiesandResearchinPhysics,2013,87(2):147–153.