納米ZnO和稀土離子摻雜ZnO發光材料製備與發光機制（簡體書）

本文系統地介紹了有關發光物理學的基本概念；系統地闡釋了納米材料所特有的量子尺寸效應、量子限域效應、量子隧道效應和表面效應等介觀物理特性；系統地介紹了ZnO 的晶體結構和物理化學性質，以及RE3+ 稀土離子的電子結構和發光特性。給出了納米ZnO粉體膠體薄膜和稀土離子Er3+、Eu3+、Tb3+摻雜納米ZnO發光材料的多種物理、化學的制備方法和制備過程要素。本文重點討論了納米ZnO 本體和稀土離子摻雜ZnO 的可見發射機制問題。探究了納米ZnO本體（包括粉體、膠體和薄膜等不同形態材料）和稀土離子（Er3+、Eu3+、Tb3+等）摻雜納米ZnO 的發光機制和發光性質，探究了材料制備的溫度和材料生長氣氛對納米ZnO 薄膜結構與藍光發射的影響，探究了稀土離子摻雜濃度和退火溫度對納米晶ZnO∶RE3+發光性質的影響。

宋國利（1964－），男，哈爾濱人。哈爾濱學院物理系教授，科技處處長、《哈爾濱學院學報》主編；兼任省級（物理）實驗教學示范中心主任，省級精品課程《熱學》負責人，擔任校物理學學科帶頭人，校物理重點專業帶頭人，校（物理實驗）優秀教學團隊帶頭人。兼任哈爾濱市政協科教文衛委員會副主任委員，哈爾濱市陶行知研究會會長，黑龍江省高教學會物理專業委員會副主任委員兼秘書長。主要學術研究方向為半導體發光材料制備與發光機制。在納米ZnO發光材料制備與發光機制研究方向上，發表學術論文20余篇，其中SCI，EI，ISTP收錄17篇；在第27屆國際光子學會議、2009國際納米光子學會議、第四屆一維納米材料國際會議和第五屆、第六屆、第八屆全國光子學學術會議及2008年全國光學學術年會等學術會議上做專題學術報告8次；研究成果獲得了黑龍江省自然科學技術學術成果一等獎1項、二等獎1項，黑龍江省高校科學技術二等獎1項、三等獎1項，哈爾濱市科技進步三等獎1項。

本書詳細地介紹了發光的性質和特性，納米ZnO材料的性質和特性，ZnO的晶體結構和物理化學性質，以及Re3+稀土離子的電子結構和發光特性。總結出了納米ZnO 粉體膠體薄膜和稀土離子Er3+、Eu3+、Tb3+等摻雜納米ZnO 發光材料的多種物理、化學的制備方法和制備過程要素。本書收納了宋國利教授的畢生研究的精華，本文給出的方法、觀點、結論，具有一定的學術價值和應用價值，可以為納米半導體發光材料，尤其是納米ZnO半導體發光材料領域的科學工作者提供參考。

納米發光材料 / 11.1 發射與激發 / 11.1.1 發光與發光中心 / 11.1.2 激發與發光效率 / 41.1.3 發光材料 / 61.2 發光光譜 / 61.2.1 發射光譜 / 71.2.2 吸收光譜 / 81.2.3 激發光譜 / 91.2.4 X 射線衍射光譜 / 111.3 納米材料特性 / 121.3.1 表面效應 / 141.3.2 量子限域效應 / 151.3.3 量子隧道效應 / 151.3.4 量子尺寸效應 / 161.3.5 納米半導體吸收帶隙布魯斯公式 / 16ZnO 晶體結構和RE3+ 稀土離子電子結構 / 192.1 ZnO 晶體結構和物理化學性質 / 19第1 章第2 章目 錄22.1.1 ZnO 的晶體結構 / 192.1.2 ZnO 的物理化學性質 / 212.2 RE3+ 稀土離子的特征 / 242.2.1 RE3+ 稀土離子的電子結構 / 242.2.2 RE3+ 稀土離子發光特性 / 262.3 稀土元素摻雜ZnO 納米材料的研究現狀 / 28納米ZnO 和摻雜RE3+ 稀土離子ZnO 發光材料的制備 / 323.1 納米ZnO 粉體的制備 / 333.1.1 化學沉淀法制備納米ZnO 粉體 / 333.1.2 高溫固相制備納米ZnO 粉體 / 353.1.3 水熱法制備納米ZnO 粉體 / 353.1.4 微乳液法制備納米ZnO 粉體 / 363.2 納米ZnO 膠體的制備 / 36 溶膠—凝膠法制備納米ZnO 膠體 / 363.3 納米ZnO 薄膜的制備 / 373.3.1 溶膠—凝膠法制備納米ZnO 薄膜 / 383.3.2 射頻磁控濺射方法制備ZnO 薄膜 / 383.3.3 脈沖激光沉積法制備ZnO 薄膜 / 393.3.4 分子束外延法制備ZnO 薄膜 / 403.3.5 金屬有機物化學氣相沉積法制備ZnO 薄膜 / 403.3.6 原子層外延法制備ZnO 薄膜 / 413.3.7 噴霧熱解法制備ZnO 薄膜 / 423.4 納米ZnO∶RE3+ 的制備 / 433.4.1 納米ZnO∶Er3+ 的制備 / 433.4.2 納米ZnO∶Eu3+ 的制備 / 433.4.3 納米ZnO∶Tb3+ 的制備 / 44第3 章3納米ZnO 本體發光機制 / 494.1 納米ZnO 本體的可見發射機制 / 504.1.1 納米ZnO 粉體的可見發射機制 / 504.1.2 納米ZnO 膠體的可見發射機制 / 544.1.3 納米ZnO 薄膜的可見發射機制 / 594.2 退火溫度對納米ZnO 薄膜可見發射的影響 / 634.3 氣氛對納米ZnO 薄膜結構與藍光發射的影響 / 67RE3+ 稀土離子摻雜ZnO 發光機制的研究 / 765.1 稀土離子Er3+ 摻雜納米ZnO 發光機制 / 775.1.1 ZnO∶Er3+ 納米晶的發光機制 / 775.1.2 退火溫度對納米晶ZnO∶Er3+ 發光性質的 影響 / 825.2 稀土離子Eu3+ 摻雜的納米ZnO 發光機制 / 865.2.1 ZnO∶Eu3+ 納米晶的發光機制 / 865.2.2 退火溫度對納米晶ZnO∶Eu3+ 發光性質的 影響 / 915.3 稀土離子Tb3+ 摻雜的納米ZnO 發光機制 / 955.3.1 ZnO∶Tb3+ 納米晶的發光機制 / 955.3.2 退火溫度對納米晶ZnO∶Tb3+ 發光性質的 影響 / 995.3.3 稀土離子摻雜濃度對納米晶ZnO∶Tb3+ 發光性質的影響 / 103索 引 / 110后 記 / 115第4 章第5 章4Chapter 1 Luminescent Nanomaterials / 11.1 Emission and Excitation / 11.1.1 Luminescence and Luminescent Center / 11.1.2 Excitation and Luminescence Efficiency / 41.1.3 Luminescent Materials / 61.2 Luminescent Spectrum / 61.2.1 Emission Spectrum / 71.2.2 Absorption Spectrum / 81.2.3 Excitation Spectrum / 91.2.4 X-ray Diffraction Spectrum / 111.3 Properties of Nanomaterials / 121.3.1 Surface Effect / 141.3.2 Quantum Confinement Effect / 151.3.3 Quantum Tunneling Effect / 151.3.4 Quantum Size Effect / 161.3.5 Brus Formula for Absorption Band Gap of Nano-semiconductor / 16Chapter 2 ZnO Crystal Structures and Electron Structures of RE3+CONTENTS5 Rare Earth Ions / 192.1 ZnO Crystal structures and physicochemical properties / 192.1.1 Crystal structures of ZnO / 192.1.2 The physical and chemical properties of ZnO / 212.2 The features of RE3+ rare earth ions / 242.2.1 Electron structures of RE3+ rare earth ions / 242.2.2 Luminescence characteristics of RE3+ rare earth ions / 262.3 The research status of rare earth doped ZnO nanomaterials / 28Chapter 3 Preparations of ZnO nanomaterials and RE3+ rare earth Ions doped ZnO luminescent materials / 323.1 Preparation of ZnO nano-powder / 333.1.1 P reparation of ZnO nano-powder by chemical precipitation method / 333.1.2 P reparation of ZnO nano-powder by high temperature solid phase / 353.1.3 P reparation of ZnO nano-powder by hydrothermal method / 353.1.4 Preparation of ZnO nano-powder by microemulsion method / 363.2 Preparation of ZnO nano-colloid / 36 P reparation of ZnO nano-colloid by Sol-gel method / 363.3 Preparation of ZnO nano-thin film / 373.3.1 P reparation of ZnO nano-thin film by Sol-gel method / 383.3.2 P reparation of ZnO nano-thin film by RF magnetron sputtering / 383.3.3 P reparation of ZnO nano-thin film by pulsed laser6 deposition / 393.3.4 P reparation of ZnO nano-thin film by the molecular beam epitaxial method / 403.3.5 P reparation of ZnO nano-thin film by chemical vapor deposition of metallic organic compounds / 403.3.6 P reparation of ZnO nano-thin film by atomic layer epitaxy / 413.3.7 P reparation of ZnO nano-thin film by spray pyrolysis / 423.4 Preparation of nano-ZnO∶RE3+ / 433.4.1 P reparation of nano-ZnO∶Er3+ / 433.4.2 P reparation of nano-ZnO∶Eu3+ / 433.4.3 P reparation of nano-ZnO∶Tb3+ / 44Chapter 4 Luminescence mechanisms of nano-ZnO / 494.1 Visible luminescence mechanisms of nano-ZnO / 504.1.1 The visible emission mechanisms of ZnO nano-powder / 504.1.2 The visible emission mechanisms of ZnO nano-colloid / 544.1.3 The visible emission mechanisms of ZnO nano-thin film / 594.2 The effects of annealing temperature on the visible emission mechanisms of ZnO nano-thin film / 634.3 The effects of atmosphere on the structures of ZnO nano-thin film and blue emission / 67Chapter 5 Luminescence mechanisms of RE3+ rare earth ions doped ZnO / 765.1 Luminescence mechanisms of Er3+ doped nano-ZnO / 775.1.1 Luminescence mechanisms of ZnO∶Er3+ nanocrystal / 7775.1.2 Effects of annealing temperature on luminescence properties of ZnO∶Er3+ nanocrystal / 825.2 Luminescence mechanisms of Eu3+ Rare Earth I ons doped nano-ZnO / 86