取向生长和液相Ga掺杂的ZnO纳米棒阵列的制备、表征及性能

论文摘要

近年来,ZnO纳米棒因其独特的光电性能及其在紫外光电子器件、气体及生物传感器和太阳能电池等方面的潜在应用价值而受到人们的广泛关注,其中关于纳米棒阵列的可控合成和p-型掺杂是其走向器件应用的关键和难点。本文采用改进的两步溶液化学法制备ZnO纳米棒阵列,着重研究了第一步溶液化学法所制备的ZnO纳米颗粒种子膜的微结构对第二步所生长的ZnO纳米棒的尺寸大小及取向结构的影响,通过优化ZnO纳米颗粒种子膜的热处理工艺,分别获得了不同纳米棒直径和阵列结构以及具有a轴和c轴择优取向生长的ZnO纳米棒阵列。接触角测量显示,ZnO纳米棒阵列的浸润性与纳米棒的直径和阵列微结构密切相关,随着ZnO纳米棒尺寸的增加,其与水的接触角变大,亲水性减小;而当ZnO纳米棒由平直、排列整齐的阵列结构变成无序、弯曲结构时,与水的接触角减小,对水的浸润性增强。对于a轴和c轴取向生长的ZnO纳米棒而言,a轴取向的ZnO纳米棒阵列倾向于亲水性,而c轴取向生长的ZnO纳米棒阵列则呈现疏水性,表明a轴和c轴取向的ZnO纳米棒可能有不同的表面自由能。水接触角依赖于ZnO纳米棒的尺寸和取向结构的习性为调控ZnO纳米材料的浸润性提供了可能,同时也为ZnO纳米材料的一些与浸润性相关的性能（如光催化、自清洁、抗菌及气敏和湿敏等）的优化提供理论和实验依据。光吸收和光致发光测量表明,a轴取向生长的ZnO纳米棒的光吸收边较c轴取向的纳米棒有明显的红移,其发光强度较c轴取向的明显减弱,暗示a轴和c轴取向的ZnO纳米棒可能具有不同的能带结构。本论文还在两步化学法制备ZnO纳米棒的基础上,初步探索出了在ZnO纳米棒中进行液相掺杂Ga的方法,该方法利用Zn、Ga氧化物共结晶的原理,将Ga3+掺入到ZnO纳米棒的晶格中,然后在NH3气氛中热处理实现Ga-N共掺杂,以期获得p-型掺杂ZnO纳米棒阵列。光吸收研究发现,掺杂ZnO纳米棒的吸收光谱在大约361nm处出现了一个很尖锐的吸收峰,初步判断是Ga-N共掺杂的吸收峰,表明了通过温和的液相方法对ZnO纳米材料进行p-型掺杂是非常有可能的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料及其基本物理效应
• 1.2 ZnO 纳米半导体材料的基本性质
• 1.3 ZnO 纳米棒的研究进展
• 1.4 本论文的研究目的及内容
• 第二章 ZnO 纳米棒阵列的制备及表征
• 2.1 实验药品、仪器和设备
• 2.2 实验流程
• 2.2.1 基片的清洗
• 2.2.2 ZnO 纳米颗粒种子膜的制备
• 2.2.3 ZnO 纳米棒阵列的制备
• 2.3 样品的表征
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 溶胶稳定性对生长ZnO 纳米棒的影响
• 2.4.2 拉膜厚度对生长ZnO 纳米棒阵列的影响
• 2.4.3 热处理温度对生长ZnO 纳米棒阵列的影响
• 2.4.4 不同尺寸及阵列微结构的ZnO 纳米棒阵列
• 2.4.5 择优取向生长的ZnO 纳米棒阵列
• 2.5 本章小结
• 第三章 ZnO 纳米棒阵列的浸润及光学性质
• 3.1 引言
• 3.2 ZnO 纳米棒尺寸及阵列微结构对其浸润性的影响
• 3.2.1 尺寸和阵列微结构的变化对浸润性的影响
• 3.2.2 UV 照射对不同尺寸及微结构的ZnO 纳米棒浸润性的影响
• 3.3 具有 a 轴和 c 轴取向生长的 ZnO 纳米棒阵列的浸润及光学性质
• 3.4 本章小结
• 第四章 Ga-N 共掺 ZnO 纳米棒阵列的制备及其光学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 掺杂原理
• 4.3 实验
• 4.3.1 实验仪器及药品
• 4.3.2 实验流程
• 4.3.3 Ga 盐的制备
• 4.3.4 ZnO 种子薄膜的制备
• 4.3.5 Ga-N 共掺ZnO 纳米棒阵列的制备
• 4.4 样品的测试与表征
• 4.4.1 表征方法
• 4.4.2 SEM 表面形貌分析
• 4.4.3 掺杂ZnO 纳米棒阵列的结构分析
• 4.4.4 掺杂ZnO 纳米棒阵列的吸收性能
• 4.4.5 掺杂ZnO 纳米棒阵列的光致发光性能
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢