一维ZnO纳米棒的制备及光学性能研究

摘要

一维 ZnO纳米棒的比表面积较大、电子传输性能优良、光学性能好，在太阳能电池、压电、催化等重要领域很有前景。本文制备了一维 ZnO纳米棒并对其ZnS包覆，研究了ZnO纳米棒的物相、形貌与其光学性能之间的关系。
　　本文采用溶胶-凝胶法，以六水硝酸锌和乙二醇单甲醚为主要原料，在 SiO2玻璃衬底上旋涂一层致密的ZnO籽晶，用水热法，通过对籽晶层面朝下制备了ZnO纳米棒。然后对 ZnO纳米棒硫化，成功制备了具有核壳结构的一维 ZnO-ZnS纳米棒。利用 X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)，对ZnO纳米棒和ZnO-ZnS核-壳结构的物相、形貌进行检测。并且利用 F-280荧光分光光谱仪对其光学性能分析。研究结果表明：
　　1.采用溶胶-凝胶法制备了具有纤锌矿结构的ZnO籽晶层。溶胶浓度是0.25mol/L，热处理温度为450℃，所制备的ZnO籽晶层薄膜比较平整且致密，此条件下晶粒最小可达到20nm左右。每一层 ZnO籽晶层薄膜的厚度约为445nm。其光致发光(PL)谱中有两个特别强的发光峰分别位于398nm和469nm。
　　2.采用两步法制备了一维ZnO纳米棒。当生长液浓度为30 mmol/L时，更有利于 ZnO纳米棒沿[0001]方向择优生长。此浓度下的平均直径最小约为41nm，长度约为1130nm。所得的样品ZnO纳米棒的PL谱都有两个明显的发光峰，分别是以418nm为中心的宽而强的紫外发光峰和以467nm为中心的相对较弱的蓝光发光峰。并且生长液浓度为30mmol/L样品的可见光发光强度最强。
　　3.通过水热反应法在 ZnO纳米棒的表面包覆了一层具有立方闪锌矿结构的ZnS。当硫代乙酰胺的水溶液的浓度为0.1mol/L时，样品保持着纳米棒阵列结构，且纳米棒薄膜表面比较平整；随着硫化浓度提高到0.5mol/L，纳米棒表面的粗糙度增加，表面包覆一层约为10nm厚的ZnS；硫化浓度继续增大到1.0mol/L，有大量的纳米颗粒覆盖整个纳米棒表面。其 PL谱中有两个明显的发光峰，分别是以398nm为中心的宽而强的紫外发光峰和以467nm为中心的相对较弱的蓝光发光峰。当硫代乙酰胺的水溶液的浓度为0.5mol/L时，其发光强度最好。ZnS对ZnO纳米棒表面的缺陷具有一定的修饰和钝化作用，从而使 ZnO-ZnS的缺陷发射大大降低。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 半导体材料概述

1.3 ZnO的基本性质

1.4 ZnO纳米棒薄膜的制备方法

1.5 ZnO纳米棒的研究现状

1.6 本文的主要研究内容

第2章 试验方法及性能表征

2.1 试验材料及设备

2.2 试验过程

2.3 性能分析方法

第3章 ZnO籽晶层的制备与光学性能分析

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 一维ZnO纳米棒的制备与光学性能分析

4.1 引言

4.2 实验条件

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

第5章 ZnS包覆一维ZnO纳米棒的制备与光学性能分析

5.1 引言

5.2 实验条件

5.3 结果与分析

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果