掺杂ZnO薄膜的生长及其储锂性能研究

论文摘要

本文主要研究了两种掺杂ZnO薄膜的制备方法,以及杂质掺入后对其晶体结构、电化学性质的影响。研究的内容包括如下两个部分：一、4种不同比率ZnO1-xSx薄膜的制备,及其结构、电化学性质的研究。我们采用脉冲激光沉积技术成功地制备了一系列不同掺杂比例的ZnO1-xSx薄膜。ZnO1-xSx并非是ZnO、ZnS两种晶粒的简单混合,而是一个独立的晶相。ZnO1-xSx（0.1<x<0.9）拥有比ZnO、ZnS更小的禁带宽度,因而它拥有更好的电导率。我们的研究结果表明：在所有的比例中,ZnO0.28S0.72的可逆循环性能明显优于其他比例的ZnO1-xSx晶体。同时,ZnO1+xSx这种双阴离子化合物在放电还原生成独立的Zn、Li2O、Li2S的晶相后,还能可逆的充电氧化回到ZnO1-xSx相,而非ZnO和ZnS两种晶体的混合。二、7种不同掺杂比例AZO薄膜的制备及其物理、电化学性质的研究。首先,我们采用射频磁控溅射技术制备了7种不同比率的AZO薄膜,并重点研究了掺杂比、靶-基距离两个参数对薄膜晶体结构、电学和光学性质的影响。研究表明：Al掺入后会引起ZnO晶格常数的变化,在掺杂比为2%时,可以得到最低电阻率4.94×10-4Ω·cm,同时,我们发现适当的减少靶-基距离可以提高载流子浓度和迁移率。另一方面,我们又进行了AZO/Li的电化学性质研究,其结果显示：1%-3%的掺杂带来的高电导率,可以非常有效地提高其可逆反应容量；但掺杂过多时,会生成独立的、不参与反应的A1203晶相,薄膜电阻率大大提升,电极的可逆氧化／还原反应受阻。本论文的总体研究思想是：向ZnO薄膜中掺入阴离子S2-和阳离子A13+,在保证薄膜高透射率（可见光波段）的同时,通过改变禁带宽度、提高载流子浓度来改善ZnO薄膜的导电性能。随后,我们将这种改善后的薄膜应用于锂离子电池电极,观察到由此带来的可逆循环容量提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO晶体概括
• 1.1.1 Al掺杂ZnO
• 1.1.2 Ⅵ族元素掺杂的ZnO
• 1.2 锂离子电池概述
• 1.2.1 锂离子电池的发展历史
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理
• 1.2.3 锂离子电池的电极材料
• 1.2.3.1 负极材料
• 1.2.3.2 正极材料
• 1.3 本论文的研究内容和意义
• 参考文献
• 第二章 样品制备及测试手段
• 2.1 脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition）技术
• 2.1.1 脉冲激光沉积制备薄膜的基本原理
• 2.1.2 实验装置示意图
• 2.1.3 脉冲激光沉积技术的特点
• 2.2 磁控溅射（Magnetron Sputtering）镀膜技术
• 2.2.1 溅射理论
• 2.2.2 辉光放电
• 2.2.3 磁控溅射镀膜
• 2.3 薄膜的物性表征及测试
• 2.3.1 质量测定——数字式微量天平
• 2.3.2 薄膜的厚度测定——探针式表面轮廓仪
• 2.3.3 电学性能的测试——霍尔仪
• 2.3.4 X射线衍射（XRD）
• 2.3.5 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope）
• 2.3.6 X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy）
• 2.4 锂电池的组装及电化学性能测试方法
• 2.4.1 电池的组装
• 2.4.2 恒电流充放电测试（Galvanostatic Dischange/Change Cycling）
• 2.4.3 循环伏安法（Cyclic Voltammograms）
• 参考文献
• 1-xS_x薄膜及其性质的研究'>第三章 脉冲激光沉积（PLD）制备ZnO_1-xS_x薄膜及其性质的研究
• 3.1 引言
• 1-xS_x薄膜的实验参数'>3.2 脉冲激光沉积技术制备ZnO_1-xS_x薄膜的实验参数
• 3.2.1 样品靶的制备
• 3.2.2 薄膜沉积条件
• 3.3 实验结构和讨论
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 射频磁控溅射制备ZnO:Al薄膜及其性质的研究
• 4.1 引言
• 4.2 相关实验参数
• 4.2.1 样品靶的制备
• 4.2.2 薄膜沉积条件
• 4.2.3 实验仪器型号介绍
• 4.3 实验结构及讨论
• 4.3.1 沉积条件对AZO晶体结构、电学和光学性质的影响
• 4.3.2 AZO电化学性质研究
• 4.4 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间论文发表情况
• 致谢