ZnO微纳米结构的可控制备、生长机理及性能研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种直接带隙宽禁带半导体材料，室温下的激子束缚能为60meV，禁带宽度为3.37eV，从而使其在紫外光范围的光电器件方面具有重要的应用。作为纳米结构的特殊微纳米结构的ZnO，由于表面效应和量子效应，产生了新的电学、力学、光学等性质，使其在太阳能电池、传感器和压电材料等方面具有广阔的应用前景，成为人们进行大量的研究开发的热点。但目前作为研究主体的ZnO纳米材料，仍存在三大急需解决的基本问题:
　　 其一，微纳米结构的比表面积有待提高;
　　 其二，有序微纳米结构的可控制备困难，制备的无序结构使得光生载流子容易复合，光电效率较低;
　　 其三，微纳米结构形成的机理尚不清楚。
　　 因此，研究具有高比表面积且有利于光生电子传输的有序ZnO微纳米结构的可控制备及其生长机理对ZnO纳米材料的实际应用具有重要意义。
　　 本论文采用简单的水热法实现了对一维及三维形貌各异有序ZnO微纳米结构的可控制备，其主要研究内容包括:
　　 以Zn(NO3)2及C6H12N4为源体系，通过控制前驱体剂浓度及反应时间等因素用水热法制备出了紧密度合适，尺寸均一，有序的ZnO纳米棒阵列。实验表明制备ZnO纳米棒阵列的最佳工艺条件为:前驱体剂浓度为0.02mol/L，反应时间为4h。由于该条件下制备的稀疏的结构及粗糙的表面积能吸附更多的染料和更多的反应活性中心，表现出最佳的光电性能。
　　 首次以Zn(NO3)2-NH3为源体系，以FTO导电玻璃为基底，通过水热法成功获得一种由纳米针状组成的的海胆型ZnO微纳米结构晶体，该晶体为单晶结构，(0001)晶格距离大约为0.26nm。通过对反应温度、反应时间及pH值的调控实现对三维海胆状ZnO微纳米晶体的可控合成，实验表明，制备实验表明制备具有较高光电活性的三维海胆状ZnO微纳米晶体最佳工艺条件为:pH值为10，反应温度为90℃，反应时间为9h。
　　 通过调节反应体系的pH值，用简单的水热法在较温和条件下实现了对ZnO微纳米结构的可控制备。随着反应体系的PH增加，ZnO微纳米结构的形貌从“线”-“百合花”-“海胆”-“线”发生了显著的变化。由于各种形貌ZnO的比表面积不同，其对光散射强度由小到大的排列顺序为:较密“海胆”结构＜较稀“海胆”结构＜较有序的一维结构＜无序一维结构＜“百合花”结构，其中，较密的海胆状纳米ZnO对光的反射率低至18％。将这些不同形貌的ZnO结构作为DSSCs的光阳极时，其表现出来的光学性能存在着很大的差异，其中较密“海胆”结构的ZnO由于具有最大的比表面积、更多的反应活性中心、更有效的载流子传递路径，表现出最佳光电性能，其开路电压，短路电流及效率分别为6.50V，0.682 mA/cm2，1.92％。
　　 通过跟踪反应过程中不同时间产物的形貌，揭示了三维海胆状ZnO微纳米结构晶体在液相反应中生长机理。结果表明这种三维ZnO结构是由于ZnO前驱体吸附于原先生长成的晶核上进而形成大量细小的晶核，这些细小的晶核随着的时间的推移逐渐生长成花，纳米线等结构。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 ZnO的基本性质及应用

1．2．1 纳米ZnO的基本性质

1．2．2 纳米ZnO的应用

1．3 纳米材料的形貌控制

1．4 ZnO微纳米结构的制备方法

1．4．1 水热法

1．4．2 电沉积法

1．4．3 化学气相沉积法

1．4．4 溶胶-凝胶法

1．4．5 脉冲激光沉积法

1．4．6 磁控溅射法

1．4．7 分子束外延法

1．4 论文的主要研究内容及意义

1．4．1 本论文研究的意义

1．4．2 本论文研究的内容

第二章 一维有序ZnO纳米棒阵列的可控制备及其性能研究

2．1 引言

2．2 一维有序ZnO纳米棒阵列的制备方法，原料及表征测试技术

2．2．1 一维有序ZnO纳米棒阵列的制备方法

2．2．2 原料及设备

2．2．3 表征测试技术

2．3 结果与讨论

2．3．1 Zn(NO3)2浓度对ZnO纳米棒阵列形貌的影响

2．3．2 反应时间对ZnO纳米棒阵列形貌的影响

2．3．3 XRD分析

2．3．4 ZnO微纳米结构在DSSC中的应用

2．4 本章小结

第三章 三维ZnO微纳米结构的制备，机理分析及光电性能研究

3．1 引言

3．2 样品的制备方法及表征测试技术

3．2．1 ZnO微纳米结构的制备

3．2．2 实验原料及设备

3．2．3 ZnO微纳米结构的表征测试技术

3．3 形貌各异ZnO微纳米结构晶体的可控制备及其性能研究

3．3．1 不同pH值下制备的ZnO微纳米结构的SEM图分析

3．3．2 形貌互异ZnO微纳米结构晶体形成的机理分析

3．3．3 XRD分析

3．3．4 波长-反射率曲线分析

3．3．5 ZnO微纳米结构在DSSC中的应用

3．4 三维海胆状ZnO微纳米结构生长机理分析及其性能研究

3．4．1 不同温度下制备的ZnO微纳米结构的SEM图分析

3．4．2 海胆状ZnO微纳米结构生长过程的形貌分析

3．4．3 海胆状ZnO微纳米结构生长机理研究

3．4．4 XRD及能谱分析

3．4．5 UV-vis吸收光谱

3．5 本章小结

第四章 结论与展望

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间发表的论文)

附录B