一维ZnO纳米棒分级结构阵列的制备及光电性能

论文摘要

近年来,纳米材料因其特有的物理、化学性质成为功能材料及电子器件等领域的研究热点之一。随着纳米制备技术的不断进步,具有分级结构的纳米材料因其独特的形貌与结构特征,在改善材料性能等方面越来越受到人们的广泛关注。本论文采用简单的低温溶液法,通过引入结构控制剂,设计合成了由一维ZnO纳米棒与纳米针、纳米线及节状结构所组成的ZnO分级阵列结构薄膜,围绕其制备条件、形貌控制剂的影响、结构与性能关系等方面展开研究,并探讨了分级结构的形成机理。所制备的分级结构材料,在紫外激光发射器及场发射阴极材料等方面具有潜在的应用价值。采用低温溶液法在经ZnO籽晶（种子层）修饰的FTO导电玻璃基底上制备得到一维ZnO纳米棒阵列薄膜,阵列生长方向垂直于FTO基底,沿C轴取向生长,样品具有较高的结晶质量及较低的缺陷密度。将三嵌段共聚物F127作为结构控制剂,引入到低温溶液生长过程当中,一步合成ZnO纳米棒顶部生成ZnO纳米针的纳米棒@纳米针分级结构阵列薄膜。通过X-射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）等技术手段,对其结构、形貌进行系统分析,提出分级结构的“分时长生”形成机理。通过对前驱体浓度及结构控制剂F127含量的调控,合成了单根ZnO纳米棒顶部生成多根纳米线的毛笔状分级结构阵列薄膜。通过对其结构、形貌的系统分析,探讨了“浓度差异”及样品尺寸对分级结构形貌的影响。详细考察了毛笔状分级结构阵列的荧光特性及场发射性能。结果表明：具有分级结构特征的ZnO纳米阵列结构具有良好的紫外发射性能和良好的场发射性能。首次采用二步低温溶液生长过程,合成了具有节状形貌的ZnO微纳米分级结构阵列薄膜。荧光测试结果表明,此种结构具有较强的蓝光、绿光发射峰,主要形成原因与结构缺陷有关。此种材料的合成,使ZnO纳米结构的多样性更加完善,为ZnO纳米结构的研究提供了很好的实验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 氧化锌的结构及本征缺陷
• 1.1.1 氧化锌的结构
• 1.1.2 氧化锌的本征缺陷
• 1.2 一维ZnO纳米阵列的主要性能
• 1.2.1 光学性能
• 1.2.2 电学性能
• 1.2.3 传感性能
• 1.2.4 催化性能
• 1.2.5 场发射性能
• 1.3 一维ZnO纳米阵列的制备方法
• 1.3.1 气相法
• 1.3.2 液相法
• 1.4 一维ZnO纳米材料的应用
• 1.4.1 ZnO纳米激光器
• 1.4.2 ZnO太阳能电池
• 1.4.3 ZnO纳米传感器
• 1.4.4 场发射平板显示器
• 1.5 基于一维纳米ZnO分级结构的研究现状
• 1.6 选题意义及主要研究内容
• 第2章 一维ZnO纳米棒阵列的制备及光学性能
• 2.1 一维ZnO纳米棒阵列的制备
• 2.1.1 实验药品及设备
• 2.1.2 实验步骤
• 2.1.3 样品的结构与性能表征
• 2.2 实验结果与讨论
• 2.2.1 ZnO籽晶种子层的制备与形貌特征
• 2.2.2 不同喷雾次数对ZnO籽晶种子层形貌的影响
• 2.2.3 ZnO纳米棒阵列制备与形貌表征
• 2.2.4 反应温度与ZnO纳米棒阵列形貌
• 2.2.5 前驱体浓度与ZnO纳米棒阵列形貌
• 2.2.6 一维ZnO纳米棒阵列的制备机理
• 2.2.7 光致发光光谱表征（PL）
• 2.3 本章小结
• 第3章 一维ZnO纳米棒分级结构阵列的制备及性能
• 3.1 ZnO分级结构阵列的制备
• 3.1.1 实验药品及设备
• 3.1.2 实验步骤
• 3.1.3 样品的结构与性能表征
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 ZnO分级结构的形貌表征
• 3.2.2 ZnO分级结构的XRD表征
• 3.2.3 ZnO分级结构HRTEM表征
• 3.2.4 F127含量对ZnO分级结构阵列的影响
• 3.2.5 反应时间对ZnO分级结构阵列的影响
• 3.2.6 ZnO分级结构的制备机理探讨
• 3.2.7 ZnO分级结构的光致发光谱（PL）
• 3.2.8 ZnO分级结构的场发射性能（FE）
• 3.3 本章小结
• 第4章 毛笔状ZnO分级结构阵列的制备及性能
• 4.1 毛笔状ZnO分级结构阵列的制备
• 4.1.1 实验药品及设备
• 4.1.2 实验步骤
• 4.1.3 样品的结构与性能表征
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 毛笔状ZnO分级结构的形貌表征
• 4.2.2 毛笔状ZnO分级结构的XRD表征
• 4.2.3 毛笔状ZnO分级结构HRTEM表征
• 4.2.4 F127含量对毛笔状ZnO分级结构阵列制备的影响
• 4.2.5 毛笔状ZnO分级结构阵列的制备机理探究
• 4.2.6 毛笔状ZnO的光致发光光谱（PL）
• 4.2.7 毛笔状ZnO分级结构阵列薄膜的场发射性能（FE）
• 4.3 本章小结
• 第5章 节状ZnO微纳米分级结构阵列薄膜的制备及性能
• 5.1 节状ZnO微纳米分级结构阵列的制备
• 5.1.1 实验药品及设备
• 5.1.2 实验步骤
• 5.1.3 样品的结构与性能表征
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 节状ZnO微纳米分级结构阵列薄膜的SEM表征
• 5.2.2 节状ZnO微纳米分级结构阵列薄膜的XRD表征
• 5.2.3 节状ZnO微纳米分级结构阵列薄膜光致发光谱（PL）
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录