纳米氧化锌的制备及其气敏、光催化性能研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体材料,为六角纤锌矿结构,晶格常数a = 0.3250 nm,c = 0.5206 nm。纳米ZnO具有优异的电学、光学、气敏、光催化氧化等物理性能,在太阳能电池、发光二极管、透明电极、紫外光探测、压电器件、声表面波器件、气敏传感器、光催化降解等领域得到了广泛应用。纳米结构的ZnO可以吸附大量的气体,并且在吸附了气体之后形成特殊的表面态,从而对其能带和导电性产生显著的影响,作为气敏材料备受相关人员的关注。同时,纳米ZnO也是一种高效、无毒、价格低廉的重要光催化剂,在光催化降解有机污染物和矿化环境污染物领域备受关注。对ZnO纳米材料的气敏、光催化特性进行研究,探索微观结构与气敏、光催化性质之间的内在联系具有重要意义。本论文的主要工作是采用射频磁控溅射法制备纳米ZnO薄膜/Si异质结,通过水热合成法制备具有特殊形貌的纳米粉体,组装设计ZnO纳米棒基的气敏元件,采用水热合成法制备不同Ag修饰量的纳米Ag/ZnO和ZnO纳米晶。对材料的微观结构进行系统的表征,并且对其电学性能、气体敏感特性和光催化降解性能进行研究。围绕以上内容,具体开展了以下几方面的工作:（1）ZnO薄膜/Si异质结的电输运特性及酒精气体敏感特性研究采用射频磁控溅射的方法在蛋面抛光的单晶Si（100）基片上沉积ZnO多晶薄膜。考察了在不同溅射气压,不同溅射功率下,ZnO薄膜的结晶质量和ZnO薄膜/Si异质结的电输运特性。探讨了ZnO薄膜厚度,不同电阻率的单晶Si衬底对纳米ZnO薄膜/Si异质结电输运特性和酒精气体敏感特性的影响。研究了ZnO薄膜/Si异质结对不同链长的醇类气体的敏感性。利用半导体理论、固体的能带理论及气体传感器理论建立异质结对酒精气体的气敏工作机制,进一步探讨纳米ZnO薄膜/Si异质结结构与其气敏特性之间的关系。实验结果表明,ZnO薄膜厚度为41 nm,平均晶粒尺寸8 nm,其异质结气敏性能最优。异质结的气敏性能依赖于衬底Si的电阻率,发现当p-Si的电阻率为15.6Ωcm,n-Si电阻率的为2.5Ωcm时其异质结的气敏性能较好。ZnO薄膜/p-Si异质结（p-Si电阻率:15.6Ωcm）对丙醇的灵敏度最高,其次是甲醇,最后是乙醇。（2）基于ZnO纳米棒的气敏元件的组装及酒精气体敏感特性研究采用水热合成法制备ZnO纳米棒,通过团压和背电极将其组装成气敏元件。测量元件在酒精气体中电学参量的变化（结电阻、电容、阻抗）和响应-恢复时间;研究了各电学参量的变化规律;分析了气敏元件的低频和高频电容以及阻抗同酒精气体浓度的关系。测试结果表明,元件的直流电阻随着酒精浓度的增大而减小;低频段的交流电容随着酒精浓度的增大而增大,并且电容与酒精浓度的关系基本呈线性;低频段的交流阻抗随着酒精浓度的增大而减小;高频段的交流电容和阻抗不依赖于酒精浓度,变化很小。（3）Ag修饰的纳米ZnO合成和负载型ZnO纳米晶的制备及其光催化性能研究采用水热合成和光化学还原法制备了ZnO纳米粉体及不同Ag修饰量的纳米ZnO （Ag/ZnO）。负载型ZnO纳米晶的制备是先通过射频磁控溅射技术在石英玻璃衬底上制备ZnO种子层,再采用水热合成方法生长纳米结构的ZnO。利用X射线衍射（XRD）,扫描电子显微镜（SEM）分析了它们的物相结构和晶粒形貌。以亚甲基蓝为污染物模型,考察了ZnO纳米粉体,不同Ag修饰量的纳米Ag/ZnO和负载型ZnO纳米晶在紫外光照射下的光催化活性。实验发现Ag/ZnO光催化活性依赖于Ag的修饰量并分析了它们的光催化活性机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 半导体金属氧化物-ZnO
• 1.2.1 ZnO的晶格结构
• 1.2.2 ZnO的基本性质
• 1.2.3 ZnO的固有缺陷
• 1.3 ZnO纳米材料的气敏特性
• 1.3.1 纳米材料简介
• 1.3.2 半导体气体传感器的分类
• 1.3.3 金属氧化物气体传感器的结构及性能指标
• 1.3.4 金属氧化物气敏传感器的工作原理
• 1.3.5 ZnO纳米传感器的研究现状
• 1.3.6 ZnO异质结气敏性的研究现状
• 1.4 半导体光催化氧化
• 1.4.1 半导体光催化原理
• 1.4.2 ZnO光腐蚀
• 1.4.3 提高ZnO光催化反应效率途径
• 1.4.4 ZnO光催化降解有机物的研究现状
• 1.5 课题的研究背景和意义
• 1.6 论文的研究内容
• 第二章 ZnO薄膜/Si异质结的制备和表征方法
• 2.1 引言
• 2.2 ZnO薄膜的制备
• 2.2.1 磁控溅射
• 2.2.2 样品的制备过程
• 2.3 本实验所用的表征方法
• 2.3.1 X射线衍射谱（XRD）
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）及能谱
• 2.3.3 霍尔效应测试（Hall Effect Measurment）
• 2.3.4 光致发光谱（PL）
• 2.3.5 紫外/可见光吸收光谱（UV-Vis）
• 第三章 ZnO薄膜/Si异质结的电学性质和气敏性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 ZnO薄膜/Si异质结的电输运特性
• 3.2.1 样品电学性能测量的测量方法
• 3.2.2 不同溅射气压下ZnO薄膜/Si异质结
• 3.2.3 不同溅射功率下，ZnO薄膜/Si异质结
• 3.2.4 本底真空度和送氩量
• 3.3 ZnO薄膜厚度对ZnO/Si异质结酒精敏感特性的影响
• 3.3.1 ZnO薄膜/Si异质结的表征
• 3.3.2 气体敏感性的测量方法
• 3.3.3 ZnO薄膜/Si异质结酒精敏感特性
• 3.3.4 ZnO薄膜/p-Si异质结酒精敏感特性机理解释
• 3.4 Si衬底对ZnO/p-Si异质结酒精敏感特性的影响
• 3.4.1 Si衬底对ZnO/p-Si异质结I-V特性的影响
• 3.4.2 不同电阻率Si上的ZnO/p-Si异质结酒精敏感特性
• 3.4.3 气敏机理解释
• 3.5 Si衬底对ZnO/n-Si异质结酒精敏感特性的影响
• 3.5.1 Si衬底对ZnO/n-Si异质结I-V特性的影响
• 3.5.2 不同电阻率Si衬底的ZnO/p-Si异质结酒精敏感特性
• 3.5.3 气敏机理解释
• 3.6 ZnO薄膜/Si异质结气敏机理的理论解释
• 3.7 ZnO薄膜/p-Si异质结对醇类气体的敏感性
• 3.8 本章小结
• 第四章 纳米ZnO气体元件的组装及酒精敏感特性
• 4.1 引言
• 4.2 ZnO纳米粉体的制备及表征
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.2 实验过程
• 4.2.3 纳米ZnO的结构表征
• 4.3 纳米ZnO的可控生长机理
• 4.4 样品电学性能的测量方法
• 4.5 ZnO纳米棒的酒精敏感性
• 4.6 阻抗谱及其等效电路
• 4.7 ZnO纳米棒气敏元件的机理解释
• 4.8 本章小结
• 第五章 纳米ZnO的光催化特性
• 5.1 引言
• 5.2 纳米ZnO的制备及光催化性能
• 5.2.1 试剂与仪器
• 5.2.2 光催化实验
• 5.3 ZnO纳米棒的光催化性能
• 5.3.1 ZnO纳米棒的制备
• 5.3.2 ZnO的生成机制
• 5.3.3 ZnO纳米棒的表征
• 5.3.4 ZnO纳米棒的光催化性能
• 5.4 Ag/ZnO纳米棒的光催化性能
• 5.4.1 Ag/ZnO纳米棒的制备
• 5.4.2 Ag/ZnO纳米棒的表征
• 5.4.3 Ag/ZnO纳米棒的光催化性能
• 5.5 负载型ZnO纳米晶的光催化性能
• 5.5.1 负载型ZnO纳米晶的制备
• 5.5.2 负载型ZnO纳米晶的表征
• 5.5.3 负载型ZnO纳米晶的透射光谱
• 5.5.4 负载型ZnO纳米晶的光催化性能
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介