一维ZnO纳米结构的制备、性能和器件研究

论文摘要

准一维纳米材料,包括纳米线/棒、纳米针、纳米带、纳米同轴电缆和纳米管等,近年来引起了极大的研究热潮。在这些材料中,氧化物半导体一维纳米材料又受到了特殊的关注,这不仅因为丰富多样的氧化物纳米结构不断被制备出来,更因为氧化物中阳离子价态可变、氧空位浓度可调,从而氧化物半导体的性质可以有效调控。本文主要对准一维纳米材料ZnO进行了研究。研究了ZnO纳米棒,纳米粒子的制备新方法,并讨论了影响ZnO纳米结构的生长因素和生长机理。对合成的ZnO纳米棒的光学特性进行了研究,并研究了不同的ZnO纳米结构形貌对光学性能的影响。对新方法进行改进合成无衬底,高质量的,单晶ZnO纳米棒密堆积阵列,并对它的生长机制进行研究。用ZnO密堆积阵列为气敏材料做成高性能酒精传感器。并对它的高灵敏度的酒敏机理进行研究。用相同的方法制得形状为n型ZnO纳米棒,并研究了它的生长机理和酒敏性。主要完成以下工作:1.我们用一种简单的新方法合成ZnO纳米棒,直径为25—100nm,长度为0.2—1um,长径比为10-40。测试结果表明ZnO纳米棒为单晶,属于六方晶系,晶形很好,很少或者没有结构缺陷,具有沿[0001]方向择优生长的特征。单晶ZnO纳米棒的制备成功为开发其潜在应用,制作各种纳米电子器件及光电子器件提供了一条简单廉价的途径,也为研究Graetzel型太阳能电池的电子传输机理、大幅度提高光电转换效率提供了一个可能的方法。同时为制备其它一维半导体纳米材料提供了一条崭新的途径。2.我们研究了影响ZnO结构的生长因素,在其它条件不变下,随着柠檬酸的浓度增加,纳米棒的长度减少,直径增大。在其它条件不变下,随着煅烧温度的升高,纳米ZnO的形态由棒状向颗粒状转变,并且粒子之间发生明显的团聚,当其它条件不变下,随着煅烧时间的增加,ZnO纳米棒的直径增加长度减少。3.我们用前面介绍的方法合成了ZnO纳米棒,通过IR,PL,UV-vis研究了ZnO纳米棒的光学特性,我们发现ZnO纳米棒有着很好的晶体质量和优秀的光学特性。同时我们研究了ZnO纳米棒和ZnO纳米粒子的光学特性,发现不同的形貌对ZnO的光学特性有一定的影响。4.对新方法进行改进制得无衬底,高质量的,单晶ZnO纳米棒密堆积阵列。ZnO密堆积阵列每一根棒都沿着[0001]方向,平均直径为50nm,平均长度为0.5μm,长径比为10。ZnO纳米棒密堆积阵列在紫外一可见光吸收谱在372nm有着一个强烈的激子吸收锋,相对于体材料（387nm）发生蓝移。研究了ZnO纳米棒密堆积阵列的生长机制。5.我们用ZnO密堆积阵列为气敏材料做成高性能酒精传感器。在1PPm酒精中,灵敏度为10,我们认为高灵敏度由密堆积耗尽和全面接触引起的。我们的结果表明ZnO密堆积阵列是合成气体传感器最适合的气敏材料。6.我们用前面介绍的方法制得形状为n型ZnO纳米棒。这些纳米棒以一个薄的片状物的基底来相互平行生长成形状为n型ZnO纳米棒,薄的片状物基底的宽度为50到130nm。直径长度为25到60nm,长度为0.2—0.6μm。用它作成的酒精传感器对酒精很敏感。在1PPm的乙醇中有灵敏度达到3.5,结果证明形状为n型的ZnO纳米棒是合成气体传感器最适合的气敏材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 一维纳米材料简介
• 1.2 一维纳米材料的制备方法[37]
• 1.2.1 气相—液相—固相（Vapor—Liquid—Solid, VLS）生长法
• 1.2.2 溶液—液相—固相（SLS）生长法
• 1.2.3 气相—固相（Vapor—Solid,VS）生长法
• 1.2.4 自组装法
• 1.2.5 模板法
• 1.2.6 溶剂热合成法
• 1.3 准一维纳米材料物性
• 1.3.1 光学性质
• 1.3.2 电学性质
• 1.3.3 传感性质
• 1.3.4 场发射性质
• 1.4 基于准一维纳米材料的器件的研究进展
• 1.4.1 纳米材料气敏器件及其工作原理
• 1.4.2 半导体场致电子发射器件及其工作原理
• 1.5 ZnO 的基本性质
• 1.6 一维ZnO 微/纳米材料的制备
• 1.6.1 溶胶-凝胶法
• 1.6.2 沉淀法
• 1.6.3 水热法
• 1.6.4 沸腾回流法
• 1.6.5 软模板法
• 1.7 一维ZnO 纳米材料的性能和器件
• 1.7.1 光学性能
• 1.7.2 场发射性能
• 1.7.3 输运性能（场效应晶体管和肖特基二极管）
• 1.7.4 纳米传感器
• 1.7.5 纳米激光器
• 1.7.6 其它性能
• 1.8 本论文研究背景、意义、章节安排
• 第2章 一维氧化锌纳米棒的制备和表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 化学试剂和仪器
• 2.2.2 ZnO 纳米棒的合成
• 2.2.3 材料的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 结论
• 第3章 影响ZnO 纳米结构生长因素的研究
• 3.1 引言
• 3.2 ZnO 晶体的生长习性
• 3.3 实验部分
• 3.4 结果与讨论
• 3.5 结论
• 第4章 ZnO 纳米结构的光学特性
• 4.1 引言
• 4.2 ZnO 纳米棒的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 ZnO 纳米棒的光致发光
• 4.3.2 ZnO 纳米棒的紫外吸收性能
• 4.3.3 ZnO 纳米结构形貌对光学性能的影响
• 4.4 结论
• 第5章 ZnO 纳米棒密堆积阵列的无衬底的生长,表征和生长机制
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 结论
• 第6章 基于ZnO 密堆积阵列的高灵敏度的气体传感器
• 6.1 引言
• 6.2 气敏元件的制作
• 6.3 气敏元件的性能测试
• 6.4 结果与讨论
• 6.5 结论
• 第7章 n 形ZnO 纳米棒的制备和酒敏特性
• 7.1 引言
• 7.2 n 形状的ZnO 纳米棒的合成
• 7.3 气敏元件的制作与老化
• 7.4 气敏元件的性能测试
• 7.5 气敏特性
• 7.6 结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文和专利目录