图案化ZnO纳米棒阵列的制备及光电化学电池性能研究

摘要

ZnO是室温下激子束缚能高达60 meV的II-VI族直接宽禁带(3.37 eV)半导体材料。纳米 ZnO不仅具有纳米材料的特性，同时还兼具半导体材料的特性，在光电子领域有望取代GaN半导体材料，成为受人瞩目的新型光电子材料。同样纳米ZnO还在光电化学电池、生物传感器、太阳能电池、场发射冷阴极、纳米激光、紫外光LD和LED等新型电子器件领域表现出巨大的应用前景。ZnO纳米材料形貌多样，例如纳米线、纳米梳、纳米环和纳米棒等，是全世界科学家关注的研究热点。虽然 ZnO纳米棒阵列的合成已经获得了巨大的进步，但从长远发展来看，利用快速、简单和成本低廉的方法，实现ZnO纳米棒阵列在排列方式、生长位置和形貌特征的精确调控，不仅是 ZnO纳米棒阵列合成制备在未来的发展趋势，同时也是器件性能优化的保证。
　　本文采用双光束激光干涉技术结合AR-N4340化学放大胶和低浓度显影等手段，制备出曝光面积大和能量分布均匀的图案化光刻胶模板。曝光时间为70~80 s时，所得光刻胶模板最佳。利用光刻胶模板制备出大面积均匀、形貌可控、周期尺寸可调的 ZnO纳米棒阵列，构建了基于图案化 ZnO纳米棒阵列的光电化学电池，并研究了其光电化学性能。
　　结合双光束激光干涉技术和水热合成法，制备出条纹状线形和方形孔洞的图案化模板并以此生长ZnO纳米棒阵列。图案化ZnO纳米棒阵列周期约1μm，纳米棒阵列直径为200 nm，高度随着反应时间的延长而增加。
　　构建了图案化 ZnO纳米棒阵列电化学电池。结合双光束激光干涉技术和水热合成法，制备了方形排列的图案化ZnO纳米棒阵列，与普通ZnO纳米纳米棒阵列相比，比表面积增大6倍，光转氢效率最大达到0.18％，提高135%。
　　构建了图案化ZnO纳米棒阵列/CdS异质结光电化学电池。采用离子吸附反应法在图案化的ZnO纳棒阵列表面沉积CdS纳米颗粒。CdS的引入，有效增大可见光吸收范围、提高光生载流子的转移速率同时抑制电子空穴的复合。0 VvsAg/AgCl偏压下，光电流密度最大达到1.2 mA cm-2，光转氢效率最高为0.67%。
　　构建了ZnO纳米棒阵列/Cu2O异质结光电化学电池。通过热还原法，在ZnO纳米棒阵列表面沉积Cu2O纳米颗粒。与纯的ZnO纳米棒阵列光阳极相比，这种ZnO/Cu2O异质结构光阳极在日光辐照时，展现出了更优异的光电化学性能。在1 VvsAg/AgCl偏压时，异质结构光阳极的光电流密度达到1.5 mA cm-2，是纯ZnO纳米棒阵列的2倍多。

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第1章 引言

第2章 研究背景

2.1 ZnO纳米材料概述

2.2图案化ZnO纳米材料的制备方法

2.3 光电化学电池的研究

2.4研究内容与目的

第3章 光阳极材料的制备

3.1 ZnO纳米棒阵列光阳极的制备及形貌表征

3.2双光束激光干涉系统制备图案化ZnO纳米棒阵列

3.3 图案化ZnO纳米棒阵列/CdS异质结光阳极的制备及形貌表征

3.4 ZnO纳米棒阵列/Cu2O异质结光阳极的制备及形貌表征

3.5本章小结

第4章 图案化ZnO纳米棒阵列光电化学电池

4.1 图案化ZnO纳米棒阵列的制备

4.2 图案化ZnO纳米棒阵列的形貌表征

4.3 图案化ZnO纳米棒阵列的结构表征和光学性能测试

4.4 图案化ZnO纳米棒阵列的光电化学性能测试

4.5本章小结

第5章 图案化ZnO纳米棒阵列/CdS异质结光电化学电池

5.1 图案化ZnO纳米棒阵列/CdS异质结的制备

5.2 图案化ZnO纳米棒/CdS异质结的形貌表征

5.3 图案化ZnO纳米棒阵列/CdS异质结的结构表征

5.4 图案化ZnO纳米棒阵列/CdS异质结的光学性能表征

5.5 图案化ZnO纳米棒阵列/CdS异质结光阳极的光电化学性能测试

5.6本章小结

第6章 ZnO纳米棒阵列/Cu2O异质结光电化学电池

6.1 ZnO纳米棒阵列/Cu2O异质结的制备

6.2 ZnO纳米棒阵列/Cu2O异质结的形貌表征

6.3 ZnO纳米棒阵列/Cu2O异质结的成分表征和光学性能测试

6.4 ZnO纳米棒阵列/Cu2O异质结光阳极的光电化学性能测试

6.5本章小结

第7章 结论

参考文献

个人简介、申请学位期间的研究成果及发表的学术论文

致谢