石墨烯与ZnO杂化结构的发光性能以及在白光发射中的应用研究

Design ideas of white light emitting diodes with simple structure and excellent performance are needed in order to achieve simple and one-step white light emitting diodes. At room temperature, graphene and ZnO semiconductor hybrids can meet the design concept and requirements. Taking into account the graphene oxide is ideal precursor to prepare graphene, and its rich oxygen functional groups can be well matched with ZnO. At the same time, based on our previous work, graphene oxide with appropriated thickness and ZnO nano-array hybrids can meet the basic conditions of white light emitting diodes. In this project, graphene oxide will be simultaneously modified among ZnO nano-arrays and the top of the arrays. The modification effect of graphene oxide on the optical properties of ZnO nano-arrays is investigated. In addition, density of states is calculated using the CASTEP in Materials Studio software and the local structures of graphene oxide with ZnO attachment is modelled. The corresponding emission peak position is determined according to the selection rule of the electronic transition. Finally, experimental and theoretical results are combined to confirm white light emission of appropriated thickness graphene oxide modified ZnO nano-arrays and to prove its application feasibility in the field of white light emission.

为了实现简单的、一步实现的白光发光二极管，需要性能优异的材料与器件结构简单的白光发光二极管设计思路与理念。在室温情况下，石墨烯与ZnO半导体杂化材料是符合这种设计理念及要求的纳米结构。考虑到氧化石墨烯是制备石墨烯的理想前驱体以及富含氧功能团的氧化石墨烯能与ZnO匹配良好，同时基于之前的研究基础，适宜厚度的氧化石墨烯与ZnO纳米阵列的杂化结构满足实现白光发光二极管的基本条件。本项目拟将氧化石墨烯同时修饰在ZnO纳米阵列之间和阵列的顶端，研究氧化石墨烯的修饰对ZnO纳米阵列光学特性的调控作用；同时拟采用Materials Studio软件中的CASTEP模块计算态密度并模拟氧化石墨烯与ZnO结合的局部结构模型，依据电子跃迁的选择定则来确定相应的发光峰位置；最后结合实验和理论结果，验证具有最佳厚度氧化石墨烯修饰ZnO纳米阵列的白光发光，证明其在白光发射领域应用的可行性。

实现简单的、一步实现的白光发光二极管，我们需要性能优异的材料与器件结构简单的白光发光二极管设计思路与理念，在室温情况下，石墨烯与ZnO半导体杂化材料是符合这种设计理念及要求的纳米结构。本项目首先研究了掺杂ZnO的能带结构和发光特性研究，基于掺杂优化后的ZnO制备了ZnO/Cu/Al2O3和ZnO/Zn/Si三明治结构并研究了其发光特性研究，并结合局域等离子效应来进一步增强ZnO纳米结构的荧光特性研究，最后采用Materials Studio软件中的CASTEP模块构造了石墨烯和ZnO异质结理论模型，研究了其电子特性和载流子迁移率，同时结合实验结果探讨了不同厚度的石墨烯和ZnO杂化结构的发光特性及其在白光二极管中的潜在应用。.① 掺杂ZnO的能带结构和发光特性研究.采用射频磁控溅射法制备了Ag/Al共掺杂ZnO和Ag/N共掺杂ZnO，结合Materials Studio软件中的CASTEP模块计算了掺杂ZnO的态密度、能带结构和光学常数等，结合理论和实验结果，探讨和优化了掺杂ZnO的光学特性。.② ZnO/Cu/Al2O3和ZnO/Zn/Si三明治结构的发光特性研究 .基于掺杂优化后的ZnO制备了ZnO/Cu/Al2O3和ZnO/Zn/Si三明治结构，研究了金属Cu和Zn缓冲层对ZnO发光特性的影响，讨论了两种ZnO基三明治结构的能带排列，提出了ZnO/Cu/Al2O3和ZnO/Zn/Si三明治结构的发光机制。.③ 局域等离子效应增强ZnO纳米结构的荧光特性研究 .将帽状ZnO椭球沉积在ZnO纳米阵列的顶部，系统地研究了ZnO椭球沉积时间对ZnO纳米阵列荧光性质的影响，结合有限元法模拟和实验结果，由于ZnO椭球的局域场增强效应，最强的电场强度出现在同质结的顶部，从而增强了ZnO纳米阵列的荧光发射效率。.④ 石墨烯和ZnO杂化结构的电子特性和发光特性及其在白光二极管中的潜在应用研究 .以优化的ZnO/Cu/Al2O3和ZnO/Zn/Si三明治结构为种子层制备了ZnO纳米棒阵列，利用氧化石墨烯对ZnO阵列进行表面修饰可有效增强ZnO纳米阵列中的可见光发射，揭示了适宜厚度石墨烯与ZnO杂化结构中可见光发射的增强机制，并探究了其在白光二极管中的潜在应用。