利用反胶束微乳液法制备Al掺杂纳米ZnO粉体及薄膜

论文摘要

ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族的直接带隙、宽禁带半导体材料,具有六方纤锌矿结构。由于ZnO具有优异的压电、光电、气敏、压敏等特性；近年来受到广泛的关注和研究。Al掺杂ZnO薄膜不但具有较低的电阻率,而且由于Al的掺入使其具有更优异的光学、电学特性,尤其是作为透明导电薄膜（TCO）,可以和目前广泛应用的锡掺杂氧化铟（ITO）薄膜相比拟,因此被认为是最具开发潜力的第三代半导体材料。但高质量的ZnO及Al掺杂薄膜多数是由物理法制备出来的,而物理法昂贵的成本、复杂的工艺流程一定程度上阻碍了大规模生产。成本低廉、工艺流程简单、配比精确的制备方法成为众多科研人员的研究目标。本文利用常用于粉体制备的反胶束微乳液法,成功制备出晶粒尺寸均匀的不同Al掺杂量的纳米ZnO粉体,并在此基础上进一步结合提拉法和旋转涂膜法等制膜工艺尝试在普通玻璃衬底上制备不同Al掺杂量的纳米ZnO薄膜,并成功制备出具有c轴择优取向的Al掺杂纳米ZnO薄膜。通过对前驱溶液低温蒸干产物的差热-热重分析,结合对不同热处理温度下样品的红外光谱的研究,进一步改进了热处理工艺,提高产品的质量；通过XRD、紫外-可见光光谱分析,研究了不同前驱溶液的加入量和Al掺杂量对ZnO粉体和薄膜的晶体结构、取向生长和平均晶粒尺寸的影响。结果表明,随着Al掺杂量的提高,ZnO的相应衍射峰位向小角度方向移动,晶面间距变大,ZnO薄膜的紫外吸收边有蓝移的现象,并在Al掺杂量（Al3+/Zn2+摩尔比）为3%时达到紫外吸收边短波方向上的极小值,根据Burstein-Moss效应从理论上分析了Al掺杂量与ZnO样品载流子浓度变化的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 ZnO概述
• 1.2.1 ZnO的基本参数及晶体结构
• 1.2.2 ZnO的常见缺陷
• 1.2.3 ZnO的应用
• 1.2.3.1 压电应用
• 1.2.3.2 气敏应用
• 1.2.3.3 光电应用
• 1.2.3.4 磁学应用
• 1.2.3.5 其他应用
• 1.3 Al掺杂纳米ZnO薄膜的制备方法及研究进展
• 1.3.1 国内外制备Al掺杂纳米ZnO薄膜的方法
• 1.3.1.1 物理制备方法
• 1.3.1.2 化学制备方法
• 1.3.2 Al掺杂的纳米ZnO薄膜的研究进展
• 1.3.2.1 电子束蒸发反应法
• 1.3.2.2 磁控溅射法
• 1.3.2.3 溶胶-凝胶法
• 1.3.2.4 其他方法
• 1.4 本文的主要研究内容、目的和意义
• 1.4.1 本文的研究内容
• 1.4.2 本文的研究目的和意义
• 第2章 实验原理及实验方法
• 2.1 实验原理
• 2.1.1 反胶束微乳液形成原理
• 2.1.1.1 表面活性剂
• 2.1.1.2 胶束与反胶束
• 2.1.1.3 微乳液
• 2.1.2 制备Al掺杂ZnO的原理
• 2.2 实验仪器及实验药品
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 实验药品及试剂
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 前驱溶液的配制
• 2.3.1.1 前驱溶液配比的确定
• 2.3.1.2 前驱溶液的配制
• 2.3.2 前驱溶液的离心沉淀
• 2.3.3 前驱薄膜的制备
• 2.3.3.1 滴管滴膜法
• 2.3.3.2 蒸干法
• 2.3.3.3 提拉法
• 2.3.3.4 旋转涂膜法
• 2.3.4 粉体和薄膜的热处理
• 2.3.5 薄膜样品的表征与分析
• 2.3.5.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.3.5.2 差热-热重（DTA-TG）分析
• 2.3.5.3 红外（IR）光谱分析
• 2.3.5.4 紫外-可见光（UV-VIS）光谱分析
• 第3章 Al掺杂纳米ZnO粉体的制备及分析
• 3.1 引言
• 3.2 Al掺杂纳米ZnO粉体的制备
• 3.2.1 前驱溶液的配制
• 3.2.2 前驱溶液的离心沉淀及热处理过程
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 差热-热重（DTA-TG）分析
• 3.3.1.1 样品的差热-热重曲线测试方法
• 3.3.1.2 差热-热重曲线及其分析
• 3.3.2 红外（IR）光谱分析
• 3.3.2.1 样品的红外（IR）光谱测试方法
• 3.3.2.2 红外（IR）光谱及其分析
• 3.3.3 Al掺杂纳米ZnO粉体的XRD表征与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 Al掺杂纳米ZnO薄膜的制备及分析
• 4.1 引言
• 4.2 Al掺杂纳米ZnO薄膜的制备
• 4.2.1 前驱溶液的配制
• 4.2.1.1 前驱溶液配比的确定
• 4.2.1.2 前驱溶液的配制
• 4.2.2 前驱薄膜的制备
• 4.2.2.1 滴管滴膜法
• 4.2.2.2 蒸干法
• 4.2.2.3 提拉法
• 4.2.2.4 旋转涂膜法
• 4.2.3 薄膜的热处理
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 滴管滴膜法制备薄膜的表征与分析
• 4.3.2 蒸干法制备薄膜的表征与分析
• 4.3.3 提拉法制备薄膜的表征与分析
• 4.3.3.1 前期工艺研究
• 4.3.3.2 薄膜的表征与分析
• 4.3.4 旋转涂膜法制备薄膜的表征与分析
• 4.3.4.1 玻璃衬底上制备薄膜的表征与分析
• 4.3.4.2 石英衬底上制备薄膜的表征与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文