水溶液法ZnO薄膜的生长和形貌控制

论文摘要

ZnO是一种重要的Ⅱ―Ⅵ族半导体化合物,能广泛应用于光电领域。本文采用水溶液生长法,以硝酸锌和氨水为前驱生长液,通过衬底表面晶种层的外延生长方式,制备了高取向的六方纤锌矿氧化锌（ZnO）纳米/微米棒晶阵列薄膜。研究了ZnO棒晶在水溶液中外延生长的机理。考察衬底微结构、生长时间和初始锌离子浓度等对ZnO棒晶尺寸的影响。在生长溶液中添加硝酸镉,通过调节生长液中硝酸镉的浓度、pH值、硝酸镉的加入方式以及生长时间等考察了对ZnO薄膜形貌的影响。在生长溶液中加入氯化钠、柠檬酸钠、硝酸铵以及氟化铵研究了ZnO薄膜形貌的变化。利用XRD、SEM、EDS、FESEM、TEM和HRTEM等方法分析和表征了制得的ZnO薄膜的物相组成、晶体形貌和组织结构等。实验发现在氨水体系中加入硝酸镉,由于静电力作用,到正电的[Cd（NH3）6]2+与[Zn（NH3）4]2+竞争吸附于ZnO晶体（0001）负极性面,迫使大量[Zn（NH3）4]2+吸附于ZnO晶体的（1000）和（1010）晶面,导致棒径方向的生长速率增大,制备出直径高达700nm的ZnO棒晶,棒晶之间相互嵌合生长,得到了高取向、高致密度的ZnO多晶取向薄膜。生长溶液中加入柠檬酸钠后制备出片状ZnO;加入氟化铵后制备出针状ZnO。本文通过考察晶种层衬底微结构、生长时间和初始锌离子浓度等研究了水溶液法ZnO的外延生长规律。实验结果表明:排列整齐一致的ZnO纳米棒晶阵列的制备需要衬底表面涂敷ZnO晶种层;随着生长时间的增加,棒的尺寸增大;生长液初始锌浓度主要影响棒的c轴方向的生长速率,浓度的增大有利于ZnO棒晶阵列的致密度以及整齐度;生长液中加入硝酸镉后,随着初始镉离子浓度的增加,棒径从～180nm增至～400nm;增大初始pH值后,ZnO棒晶的尺寸无明显变化,但薄膜由致密变的疏松,原因是小棒径的ZnO棒晶溶解; ZnO在原Zn（NO3）2/NH3·H2O体系中生长1h后再置入[Zn（NO3）2、Cd（NO3）2] /NH3·H2O生长体系,随着二次生长液中镉离子浓度由0.012 M增至0.03 M时,棒径从～300 nm增至～700nm,且相互嵌合生长在一起,出现棒晶二次生长的现象。通过在生长液中添加Cd（NO3）2,可实现大范围棒径尺寸的调节,其棒径的范围为～180nm至～700nm,并能制备出高取向、高致密度的ZnO多晶薄膜。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 太阳能电池原理
• 1.3 太阳能电池材料及分类
• 1.3.1 硅系太阳能电池
• 1.3.2 化合物半导体薄膜电池
• 1.3.3 有机太阳能电池
• 1.4 ZnO材料的特性、应用及制备
• 1.4.1 ZnO的特性
• 1.4.2 ZnO的应用
• 1.4.3 ZnO薄膜的制备方法
• 1.5 课题的提出
• 第二章 实验与研究方法
• 2.1 实验所用原料
• 2.2 实验所用设备
• 2.3 实验方案及制备过程
• 2.3.1 种子层溶胶的制备
• 2.3.2 玻璃衬底的处理
• 2.3.3 浸渍—提拉工艺制膜
• 2.3.4 焙烧处理
• 2.3.5 ZnO薄膜水溶液生长及控制
• 2.4 薄膜的性能测试与表征
• 2.4.1 XRD衍射分析
• 2.4.2 SEM扫描电镜分析
• 2.4.3 TEM透射电镜分析
• 第三章 ZnO棒晶生长及其影响因素
• 3.1 氨水体系中的化学反应
• 3.1.1 成核方式
• 3.2 ZnO棒晶的生长原理
• 3.3 ZnO晶种层的影响
• 3.4 生长时间的影响
• 3.5 生长液浓度的影响
• 第四章 ZnO棒晶薄膜生长形态的控制
• 4.1 引入硝酸镉体系的化学反应
• 4.2 初始镉离子浓度的影响
• 4.3 生长溶液初始pH值的作用
• 4.4 不同掺入方式下的影响
• 4.4.1 不同硝酸镉的加入量
• 4.4.2 生长时间的影响
• 4.5 其它离子的影响
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢