ZnO纳米锥阵列的合成及光学性质的研究

论文摘要

本论文使用水热合成法，首先通过对反应条件的优化，在FTO导电玻璃表面上合成了高度有序的ZnO纳米棒阵列薄膜，并以此作为模板，制备出了高度有序的ZnO纳米锥阵列薄膜。结果发现，高度有序的ZnO纳米棒阵列模板对ZnO纳米锥阵列的合成起着至关重要的作用，相同的实验方法下，如果不使用模板，只能制备出无序的ZnO纳米锥薄膜。实验采用了电子扫描显微镜（SEM）、X射线粉末衍射仪（XRD）、紫外可见吸收光谱（UV-visible absorption）及荧光光谱（PL）对样品进行表征。结果表明，实验制备出样品的成分是ZnO，并且高度有序的ZnO纳米锥阵列呈现出高度c轴取向性以及很好的结晶度，平均长度最高可达9μm；紫外可见吸收光谱的结果显示，高度有序的ZnO纳米锥阵列薄膜具有很强的陷光效应，因而，高度有序的ZnO纳米锥阵列薄膜比有序的ZnO纳米棒阵列薄膜有更高的光吸收率及更低的光透过率。这使得高度有序的ZnO纳米锥阵列薄膜可以更有效的应用于光电器件，例如光伏电池的研究。另外，本论文通过水热法制备出了平均长度均约为5μm、密度及均匀度相当的无序ZnO纳米锥、高度有序的ZnO纳米锥阵列和有序ZnO纳米棒阵列，并通过紫外可见吸收光谱对它们的光学性质进行了对比。实验表明，高度有序的ZnO纳米锥较纳米棒具有更明显的陷光效应，使其在相同的实验条件下具有最高的光吸收率及最低的光透过率；并且，高度有序的ZnO纳米锥阵列的陷光效应明显强于无序ZnO纳米锥，展现出了高度有序的ZnO纳米锥形貌的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 ZnO 性质概述
• 1.1 ZnO 的晶体结构
• 1.2 ZnO 的基本性质及应用
• 1.3 ZnO 纳米晶薄膜的制备方法
• 1.3.1 水热法
• 1.3.2 化学气相沉积
• 1.3.3 磁控溅射法
• 1.3.4 （脉冲）激光刻蚀沉积法
• 1.3.5 溶胶凝胶法
• 1.3.6 喷雾热解法
• 1.3.7 分子束外延法
• 1.3.8 电化学法
• 1.3.9 模板法
• 1.4 ZnO 纳米晶薄膜的形貌
• 1.5 ZnO 纳米材料薄膜的发展
• 1.6 本论文的主要研究内容及目标
• 2 实验部分
• 2.1 主要仪器及药品
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验药品
• 2.2 实验表征方法
• 2.2.1 扫描电子显微镜技术（SEM）
• 2.2.2 X-射线粉末衍射（XRD）
• 2.2.3 荧光光谱
• 2.2.4 紫外可见吸收光谱
• 3 ZnO 纳米锥的生长
• 3.1 ZnO 晶种层的制备
• 3.1.1 清洗衬底：FTO 导电玻璃
• 3.1.2 配置晶种溶液
• 3.1.3 提拉法制备晶种
• 3.1.4 退火
• 3.2 无序 ZnO 纳米锥薄膜制备
• 3.2.1 PEI 浓度变化对 ZnO 纳米锥生长的影响
• 3.3 小结
• 4 高度有序 ZnO 纳米锥阵列的制备
• 4.1 ZnO 纳米棒模板制备条件的优化
• 4.1.1 晶种溶液浓度对 ZnO 纳米棒模板生长的影响
• 4.1.2 水热生长液浓度对 ZnO 纳米棒模板生长的影响
• 4.1.3 提拉速度对 ZnO 纳米棒模板生长的影响
• 4.1.4 生长液浓度的二次调变
• 4.1.5 晶种制备次数对 ZnO 纳米棒阵列模板生长的影响
• 4.1.6 水热生长时间对 ZnO 纳米棒阵列模板生长的影响
• 4.1.7 水热生长温度对 ZnO 纳米棒阵列模板生长的影响
• 4.1.8 水热生长中采用不同 Zn2+源对 ZnO 纳米棒阵列模板的影响
• 4.1.9 小结
• 4.2 高度有序的 ZnO 纳米锥阵列薄膜的生长
• 4.2.1 浸泡时间对 ZnO 纳米锥阵列薄膜生长的影响
• 4.2.2 二次水热生长液浓度对 ZnO 纳米锥阵列薄膜生长的影响
• 4.2.3 水热生长模板中采用不同 Zn2+源对 ZnO 纳米锥阵列的影响
• 4.2.4 小结
• 5 ZnO 纳米锥阵列薄膜的结构性能表征
• 5.1 XRD 分析
• 5.2 荧光光谱分析
• 5.3 紫外可见吸收光谱分析
• 5.4 小结
• 6 无序 ZnO 纳米锥及 ZnO 纳米棒阵列的制备
• 6.1 晶种的制备
• 6.2 无序 ZnO 纳米锥薄膜的生长
• 6.3 有序 ZnO 纳米棒阵列的水热生长
• 6.4 光学性质对比表征
• 6.4.1 紫外可见吸收光谱——透射模式
• 6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢