一维结构ZnO与纳米TiO2的异质结构建及光电性能研究

论文摘要

ZnO和TiO2作为两种重要的无机半导体材料,在太阳能电池、传感、光学发射、催化和光催化等领域拥有广阔的应用前景。其中,在应用过程中主要以半导体纳米粒子粉体和纳米粒子薄膜为主,以至于材料的结构相对简单,这在一定程度上限制了材料性能的提高。因此,提出了构建一维结构ZnO与纳米TiO2的复合材料。这种复合薄膜既保留了原有纳米粒子薄膜的性质,又具有了一维阵列的特性,有望改善材料的光电性能。本论文重点研究了ZnO与TiO2复合材料的合成条件和影响ZnO薄膜结构的主要因素,以及薄膜的润湿性能和发光特性。利用低温水热法实现了一维结构ZnO在纳米TiO2薄膜上的可控沉积,实现了异质结复合材料的构建。首先,通过浸渍提拉和旋涂的方法在ITO玻璃上固定一层溶胶-水热法制备的TiO2纳米粒子,得到TiO2纳米粒子薄膜。将纳米TiO2薄膜放入硝酸锌和六亚甲基四胺的密封水溶液体系中,获得一维结构ZnO与TiO2的复合薄膜。主要研究反应时间、反应温度和反应物浓度对薄膜结构的影响,探讨了一维ZnO纳米棒的合成机制和纳米棒阵列的形成原因。结果发现:低的反应物浓度有利于ZnO纳米棒长径比的提高,不利于ZnO纳米棒取向的改善;长的反应时间和高的反应物浓度更加有利于具有良好取向的ZnO纳米棒阵列的形成。其次,通过浸渍提拉的方法在玻璃基底上制备了两种不同表面结构的TiO2薄膜,即介孔TiO2薄膜和非介孔TiO2薄膜,利用同上的水热过程在TiO2薄膜上合成ZnO阵列,考察了TiO2纳米结构薄膜的表面微结构和组成对ZnO纳米棒阵列形成的影响,结果发现介孔薄膜上能获得择优取向更好的ZnO纳米棒阵列。而且,对介孔TiO2薄膜上ZnO纳米棒可能的形成机制进行了讨论。润湿角和光致发光性能测试表明,TiO2纳米粒子薄膜本身不具有超亲水性,一定沉积条件下的复合薄膜却表现出了超亲水性,这主要归因于TiO2底膜和ZnO纳米棒阵列之间空隙的共同作用。复合薄膜能够表现出非常强的近紫外发光信号和相对较弱的绿发光带。这两类发光强度分别与一维结构ZnO的结晶度和表面氧空位量有关。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.1.1 纳米材料的定义
• 1.1.2 纳米材料的性质
• 1.2 ZnO 材料
• 1.2.1 ZnO 材料概述
• 1.2.2 ZnO 晶体的结构和生长习性
• 1.2.3 低维ZnO 材料的制备
• 2 材料'>1.3 TiO₂材料
• 2 材料概述'>1.3.1 TiO₂材料概述
• 2 材料概述'>1.3.2 一维TiO₂材料概述
• 1.4 选题背景以及国内外研究现状
• 1.5 研究课题来源、目的及其意义
• 1.6 本论文研究主要内容
• 第2章 主要实验试剂、仪器以及表征方法
• 2.1 实验试剂
• 2.2 底片的清洗与处理
• 2.3 实验仪器
• 2.4 表征方法
• 2薄膜上的可控沉积及性能'>第3章 一维ZnO 在TiO₂薄膜上的可控沉积及性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 2 溶胶的制备'>3.2.1 TiO₂溶胶的制备
• 2 薄膜的制备'>3.2.2 TiO₂薄膜的制备
• 3.2.3 ZnO 薄膜的制备
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 基底对ZnO 纳米棒生长的影响
• 3.3.2 反应物浓度对ZnO 纳米棒生长的影响
• 3.3.3 反应时间对ZnO 纳米棒生长的影响
• 3.3.4 ZnO 纳米棒的生长机制
• 3.3.5 ZnO 纳米棒阵列的荧光特性
• 3.3.6 ZnO 纳米棒阵列的润湿性能
• 3.4 本章小结
• 2薄膜上的可控沉积及性能'>第4章 一维ZnO 在介孔TiO₂薄膜上的可控沉积及性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 基底对ZnO 纳米棒生长的影响
• 2 薄膜上ZnO 阵列的生长机制分析'>4.3.2 介孔TiO₂ 薄膜上ZnO 阵列的生长机制分析
• 2 薄膜上ZnO 阵列的荧光特性'>4.3.3 介孔TiO₂ 薄膜上ZnO 阵列的荧光特性
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间待发表专利及论文