氧化锌—基纳米薄膜的制备与性能研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种宽禁带直接带隙II–VI族的具有纤锌矿结构的半导体功能材料,室温下禁带宽度Eg为3.37eV,激子束缚能高达60meV,并具有良好的化学稳定性及优良的抗氧化、耐潮、耐高温性能,使得它成为一种很有前途的紫外光电子器件材料。ZnO纳米材料特别是高度取向排列的ZnO纳米棒阵列,具有独特的电学、光学性能和大比表面积等优点,在发光、催化、压电传感器、气体传感器和太阳能电池等领域都有广阔的应用前景。在适当的制备工艺和掺杂条件下,ZnO薄膜表现出良好的低阻特征。掺杂Al的ZnO薄膜（ZAO）尤其是c-轴择优取向的ZAO薄膜具有很好的导电特性,而且具有与ITO薄膜相比拟的对可见光的高透过率和高电导,又因其在氢等离子体中的高稳定性等优点,ZAO薄膜己成为替代ITO透明导电薄膜的很有发展前景的材料,在太阳能电池、传感器、压电器件、液晶显示器等领域有广泛的应用。本论文主要内容以及创新点如下:1、两步法制备ZnO纳米棒及其PL发光性能的研究（1）第一步利用溶胶凝胶法在玻璃基底上制备一层（002）择优取向、均匀致密的ZnO种子层薄膜。研究了溶液浓度、旋涂工艺、热处理工艺等工艺参数对ZnO薄膜晶体结构和表面形貌的影响。溶胶浓度在0.75M/L、旋涂速度为4500r/min、预热处理温度为250℃（10min）然后快速升温至500℃（1h）的后退火工艺,制备的ZnO薄膜（002）择优、晶粒尺寸均匀（50-60nm）、薄膜表面均匀平整度好,薄膜厚度约为40nm。（2）第二步利用改进的水热法在种子层基底上生长ZnO纳米棒。我们创新性的在生长液中加入了聚乙烯亚胺（PEI）作为盖帽剂,PEI是一种非极性的阳离子聚合物,有大量的氨基团（-NH2）组成,对ZnO纳米棒的表面形貌起到了很强的改善作用。研究了生长液浓度、添加剂、生长时间等工艺条件对ZnO纳米棒表面形貌（直径、棒间距、棒的长度等）的影响。在60ml的0.05M生长液中加入5mlPEI,生长3h,得到了（002）高度择优、直径在40nm、长度为2.5μm的垂直于基底生长的纳米棒阵列。我们把PEI对纳米棒表面形貌的作用归因于ZnO的极化特性和PEI在纳米棒各个面上的不同的吸附性,带正电的PEI分子会吸附在纳米棒的侧面,从而抑制纳米棒横向生长。（3）研究了PEI、热处理工艺对ZnO纳米棒PL发光性能的影响,并探讨了不同退火温度下紫外发光和可见光区发光的强度变化以及发光原因。结果表明:在空气中退火,最佳退火温度为350℃,低于350℃时,紫外发光强度随着退火温度的增加而增加,这是由于随着退火温度的升高,O-H和N-H不断蒸发裂解造成的,而且N-H对发光影响非常大。在高于350℃时,紫外发光强度随着退火温度增加而减弱,可见光区发光强度不断增强,这是由于形成不同的本征缺陷造成的。2、掺杂A1的ZnO（ZAO）薄膜的制备与电学性能的研究（1）利用溶胶凝胶法在玻璃基片上制备（002）择优取向、低电阻率的ZAO薄膜。运用XRD、SEM、AFM、四探针测试仪等测量手段对薄膜的结构和电学特性进行了表征。（2）通过改善工艺条件（Al3+掺杂量、退火温度、涂膜层数）来优化ZAO薄膜结构以及薄膜的结构性能与电阻率之间的关系。在溶胶浓度0.75mol/L、掺杂量2at%、镀膜层数为13层、退火温度550℃的工艺参数条件下制备出了（002）取向择优、低电阻率（最低可达8×10-2? cm）的ZAO透明导电薄膜。并研究了各种影响因素的作用机理以及ZAO薄膜的导电机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 纳米技术和纳米材料的概述
• 1.1.1 纳米技术和纳米材料的基本概念
• 1.1.2 纳米材料的特性与应用
• 1.2 一维ZnO 纳米棒（线）的概述
• 1.2.1 ZnO 材料的结构与特性
• 1.2.2 一维ZnO 纳米棒（线）的特性与应用
• 1.2.3 一维ZnO 纳米棒（线）的生长机制
• 1.2.4 一维ZnO 纳米棒（线）的研究进展
• 1.3 ZAO 纳米导电薄膜
• 1.3.1 ZAO 纳米导电薄膜的特性与应用
• 1.3.2 ZAO 薄膜的导电机制
• 1.3.3 ZAO 导电膜的研究进展
• 1.4 本课题研究目的及意义
• 第二章 实验方案设计与研究方法
• 2.1 试验所用原料与设备
• 2.1.1 试验原料
• 2.1.2 试验设备
• 2.2 薄膜制备技术
• 2.2.1 射频磁控溅射法
• 2.2.2 脉冲激光沉积法
• 2.2.3 化学气相沉积法
• 2.2.4 溶胶-凝胶法
• 2.2.5 水热合成法
• 2.3 形貌表征及结构与性能测试
• 2.3.1 X 射线衍射分析
• 2.3.2 扫描电子显微镜
• 2.3.3 原子力显微镜
• 2.3.4 光致发光PL 谱
• 2.3.5 四探针法测试电阻率
• 第三章 ZnO 纳米棒（线）薄膜的制备与性能表征
• 3.1 ZnO 种子层薄膜的制备与表征
• 3.1.1 ZnO 薄膜的制备工艺过程
• 3.1.2 种子层溶液浓度对ZnO 薄膜取向性的影响
• 3.1.3 旋涂工艺对ZnO 薄膜取向性的影响
• 3.1.4 热处理工艺对ZnO 薄膜取向性的影响
• 3.2 ZnO 纳米棒的制备与表征
• 3.2.1 ZnO 纳米棒的制备工艺过程
• 3.2.2 生长液浓度对ZnO 纳米棒（线）薄膜形貌的影响
• 3.2.3 醋酸对ZnO 纳米棒（线）薄膜形貌的影响
• 3.2.4 聚乙烯亚胺对ZnO 纳米棒（线）薄膜形貌的影响
• 3.2.5 生长时间对ZnO 纳米棒（线）薄膜形貌的影响
• 3.3 PEI 对ZnO 纳米棒发光性能的影响
• 3.4 热处理工艺对ZnO 纳米棒（线）薄膜发光性能的影响
• 3.5 小结
• 第四章 ZAO 薄膜的制备与性能表征
• 4.1 ZAO 薄膜的制备
• 3+掺杂浓度对ZAO 薄膜结构与性能的影响'>4.2 Al³⁺掺杂浓度对ZAO 薄膜结构与性能的影响
• 3+掺杂浓度对ZAO 薄膜取向的影响'>4.2.1 Al³⁺掺杂浓度对ZAO 薄膜取向的影响
• 3+掺杂浓度对ZAO 薄膜电阻率的影响'>4.2.2 Al³⁺掺杂浓度对ZAO 薄膜电阻率的影响
• 4.3 热处理温度对ZAO 薄膜结构与性能的影响
• 4.3.1 热处理温度对ZAO 薄膜取向的影响
• 4.3.2 热处理温度对ZAO 薄膜电阻率的影响
• 4.4 薄膜厚度（镀膜层数）对ZAO 薄膜结构与性能的影响
• 4.5 小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位论文期间取得的成果