微纳米花形ZnO的水浴法制备及其光学性能研究

论文摘要

ZnO是一种重要的II-IV族直接宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能高达60 meV,被认为是一种有广阔应用前景的紫外光发射材料。同时它也是一种多功能氧化物材料,在光电、铁电、压电、热电、铁磁等领域具有优异的特性,可广泛应用于透明电极、压电材料、压敏电阻、声波器件和太阳能电池等诸多领域。目前,ZnO的研究主要集中在ZnO薄膜、ZnO掺杂及ZnO纳米结构的研究。在纳米结构领域,科研人员已经取得了很大进展,但纳米ZnO器件的应用仍然任重而道远。众所周知,材料的性能取决于材料的结构,而材料的结构又很大程度上取决于制备方法和工艺。因此,对于材料的形貌、尺寸等的可控制备研究,对于纳米ZnO器件的应用是至关重要的前提。本论文采用简单的水浴法,以硝酸锌（Zn（NO3）2·6H2O）、六亚甲基四胺（（CH2）6N4）和乙二胺（C2H8N2）为原料,制备了微纳米花形ZnO结构,为研究其生长过程/原理,在不同实验条件（浓度、温度、时间、反应物配比）下制备了不同形貌的ZnO微纳米材料,系统探讨了不同因素对其形貌和结构的影响,并采用光致发光谱和紫外-可见光吸收光谱作为光学性能的表征手段。此外,以普通玻璃片为基底,采用一步水浴法制备出了微纳米花形ZnO阵列及掺S微纳米花形ZnO阵列,研究了掺S对花形ZnO阵列结构、形貌与发光性能的影响。采用X-射线粉末衍射仪（XRD）进行物相分析,场发射扫描电子显微镜（FESEM）透射电镜（TEM,配有选区电子衍射（SAED））观察产物的形貌,荧光光谱仪（激发光源为Xe灯）在室温下测定光致发光（PL）光谱,紫外光谱仪分析样品的紫外-可见光吸收光谱。研究结果表明:（1）微纳米花形ZnO的花瓣为六角锥形结构,XRD测试表明其为纤锌矿ZnO结构,高分辨透射电镜及选区电子衍射花样表明其为单晶结构,并且沿着从c轴生长,能谱分析表明其由Zn和O元素组成,组成接近1:1,表明其结晶良好。（2）反应溶液浓度、生长温度、生长时间、反应物配比等对样品形貌的影响较大。随着反应溶液浓度的增大,微纳米花形ZnO的生长速度加快,尺寸增加,结晶致密、晶体质量提高。随着生长温度的降低,晶核易团聚从而导致花瓣聚集;此外温度的降低使反应速率降低,并导致晶粒发育不完全。随着生长时间的延长,初期有助于晶粒的发育和长大,但当时间过长时,容易造成“溶解”现象,使晶体质量下降。乙二胺的选择性吸附提供了二次形核生长点,因此在形成花形ZnO结构中起着决定性的作用,而六亚甲基四胺只是影响花瓣的形貌,吸附在花瓣侧面阻碍其生长,使花瓣更为“修长”。（3）微纳米花形ZnO的PL谱中有两个特征发光峰,分别是365 nm处的窄的紫外发射峰及406 nm左右宽的紫外-紫光发光峰。不同反应条件（反应溶液浓度、生长温度、反应物配比）对光致发光性能亦有影响。（4）掺S微纳米花形ZnO阵列较未掺微纳米花形ZnO阵列的均匀性和取向性得到了提高,但表面变得粗糙,此外,掺S后产物的PL光谱的UV发射峰减弱且出现了较强的绿光发射峰。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO 的晶体结构和基本性质
• 1.2.1 ZnO 的晶体结构
• 1.2.2 ZnO 的基本性质
• 1.3 ZnO 微纳米结构的研究进展
• 1.3.1 ZnO 丰富的微纳米形貌
• 1.3.2 ZnO 纳米材料的制备方法
• 1.4 ZnO 的应用
• 1.4.1 光电方面的应用
• 1.4.2 压电方面的应用
• 1.4.3 稀磁方面的应用
• 1.4.4 气敏方面的应用
• 1.4.5 压敏方面的应用
• 1.5 选题意义和研究内容
• 2 微纳米花形氧化锌的制备及其形貌和结构的分析
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂与实验仪器
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 微纳米花形ZnO 的制备
• 2.3.2 微纳米花形ZnO 的表征
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 微纳米花形ZnO 的结构与形貌表征
• 2.4.2 反应溶液浓度的影响
• 2.4.3 反应温度的影响
• 2.4.4 反应物配比的影响
• 2.4.5 反应时间的影响
• 2.5 微纳米花形氧化锌生长机理讨论
• 2.5.1 水热条件下ZnO 纳米结构的生长机理
• 2.5.2 微纳米花形ZnO 的生长过程
• 2.6 本章小结
• 3 微纳米花形氧化锌的光学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 半导体材料光致发光的基本原理及其测试设备
• 3.3 氧化锌的光致发光特点
• 3.4 微纳米花形氧化锌的光学性能研究
• 3.5 制备条件对光学性能的影响
• 3.5.1 浓度对PL 性能的影响
• 3.5.2 温度对PL 性能的影响
• 3.5.3 反应物配比对PL 性能的影响
• 3.6 本章小结
• 4 花形氧化锌阵列的制备及表征
• 4.1 实验试剂与实验仪器
• 4.1.1 实验试剂
• 4.1.2 实验仪器
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 花形ZnO 阵列的制备
• 4.2.2 花形ZnO 阵列的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 掺S 对花形ZnO 阵列的结构与形貌的影响
• 4.3.2 掺S 对花形ZnO 阵列的发光性能的影响
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 本论文的主要工作及结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表论文情况