水热法制备ZnO纳米棒工艺的优化

摘要

自上世纪90年代中期以来，一维(1-D)纳米结构的半导体材料成为纳米材料研究的前沿，相较于其它一维纳米结构材料，一维ZnO为六方纤锌矿结构,属宽带隙半导体材料，在室温下具有较高的激子结合能(约为60meV)，可获得高效的激子发光。相较于其它一维ZnO纳米结构，ZnO纳米棒具有比表面积大，缺陷密度少，较好的光电性质等优势。本文采用水热法制备出棒状ZnO纳米阵列，研究了不同反应条件下ZnO纳米棒形貌、光学等性能的变化。
　　本论文在制备ZnO纳米棒前，首先采用溶胶凝胶法在石英衬底上沉积ZnO纳米薄膜作为水热法制备ZnO纳米棒的籽晶层。探讨了溶胶浓度，Na掺杂，种子层，旋涂层数对ZnO薄膜性能的影响。XRD测试结果表明：不同溶胶浓度下涂覆成膜的ZnO样品XRD图谱均显示出（100）、（101）、（002）三个衍射峰，且在浓度为0.8 mol/L时，样品出现明显的沿（002）晶面的择优取向性，衍射峰强度最高；Na元素的掺杂，替代Zn原子形成稳定存在的NaZn，使ZnO晶体结构发生变化，抑制了（100）、（101）衍射峰的生长，（002）峰却得以更好地发展，提高了薄膜的择优取向性；薄膜制备过程中，过渡层的引入，有效降低了薄膜晶体结构与衬底之间失配率，使薄膜的结晶质量明显得到改善；对于同一浓度的溶胶来说，旋涂层数的多少对于制备出的薄膜样品性影响甚微。
　　采用水热法制备 ZnO纳米棒阵列，探讨了前驱物浓度、反应时间、种子层、Mg、表面活性剂聚乙烯亚胺对ZnO纳米棒形貌及光致发光性能的影响。实验结果表明，随着前驱物浓度的增加，ZnO纳米棒的长度减小、直径增大，沿(002)晶面生长的取向性变好，紫外发光强度也随浓度的增大而增大。相较于无掺杂及Na掺杂的ZnO薄膜衬底而言，AZO(Al掺杂的ZnO)基底上制备的ZnO纳米棒具有较高的致密度及更优的取向性，PL谱也显示出在391nm附近出现的高强度紫外带边发射，及465nm附近的微弱的蓝光发射峰。Mg掺杂以及聚乙烯亚胺的添加，都会使ZnO纳米棒的直径减小，端面由六棱柱状结构转变为尖锥状结构。在Mg与Zn的原子比为6:100时，纳米棒长度可达2.32 um，此时样品的紫外发射峰强度达到最大值。当聚乙烯亚胺的浓度为0.003mol/L时，纳米棒的长度达到4.39 um，样品在393nm附近出现尖锐的，紫外发射峰，同时紫外带边发射峰强度达到最大。