基于ZnO量子点的异质结构可控制备和光学性质研究

摘要

半导体异质结构纳米材料在光探测、光催化和太阳能电池等方面具有广泛的、潜在的应用。本文主要在两种不同的纳米带上生长 ZnO量子点，构成异质结构，并研究了异质结构的光学特性。另外，CuS是一种重要的II-VI族半导体材料，在储能器件等方面有潜在应用，本文采用水热发成功合成了 CuS微米花结构，采用电化学方法研究了基于 CuS超级电容的充放电性能，为其在超级电容器方面的应用奠定基础。
　　主要研究内容和结论如下：
　　（1）CdS/ZnO异质结构及其光学性质研究。首先采用热蒸发法制备基底CdS纳米带，接着以CdS纳米带为基底，采用热分解乙酸锌溶液的方法成功制备了CdS/ZnO一维异质结构。通过乙酸锌浓度、热分解温度以及反应时间等参数的优化，有效地控制在纳米带表面生长ZnO电子点的尺寸和分布。通过XRD， FESEM和TEM等测试，探索得到了影响 ZnO量子点尺寸和分布的最佳生长条件。室温PL光谱测试结果表明：CdS/ZnO异质结构在508.95nm和699.69nm处有两个发光带，分别对应于本征发射和缺陷发射。与CdS纳米带的光致发光谱相比，发生了明显的红移现象，且本征发射峰明显增强，而缺陷发射峰在逐渐减弱。拉曼光谱测试表明，CdS/ZnO异质结构两个频移峰中心位于299.11cm-1和601.97cm-1，与CdS纳米带相比，其峰位向低波数方向发生了移动，即发生了红移现象。
　　（2）CdS/ZnO异质结构光催化性能研究。通过降解10mg/L的罗丹明 B溶液研究了 CdS/ZnO异质结构的光催化性能。当在紫外可见光下照射35min时，CdS/ZnO异质结构一定浓度的罗丹明B溶液的两次降解率分别为97.62％和92.18%，与 CdS纳米带对相同浓度的罗丹明 B溶液的降解率90.94%和82.01%相比，光催化效率明显提高,且光腐蚀现象降低。这说明 ZnO量子点扩展了纳米带的光响应范围，并且通过半导体复合，CdS激发产生的光生电子能有效地转移到ZnO的导带，从而实现光生电子空穴对的有效分离，提高了光催化活性。
　　（3）ZnS/ZnO异质结构及其光学性质研究。采用相同方法，在ZnS纳米带表面成功生长ZnO量子点，构成ZnS/ZnO异质结构。借助于XRD，EDS， FESEM及TEM测试技术对样品的形貌和结构进行表征分析。研究了ZnS/ZnO异质结构的光学性能。研究结果表明：采用乙酸锌热分解的方法，可以有效地实现在不同半导体纳米带上生长ZnO量子点，控制量子点的分布和尺寸。
　　（4）利用水热法，以硝酸铜和硫脲为原材料，成功合成了CuS花状结构。通过FESEM观察其形貌，分析了其生长机制。发现CuS花状结构是由纳米片聚集而形成，粒径约为2um，分布均匀。通过循环伏安法，循环稳定性测试以及交流阻抗谱的测试研究了CuS电极的电化学性能。当扫描速率为5mv/s时， CuS电极的比电容为170.948F/g，相比于文献报道的基于CuS的电容器，本文具有更高的比电容和循环稳定性。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米材料的基本特性

1.3 纳米材料的光学性质

1.4 异质结构

1.5 II-VI族硫化物纳米材料简介

1.6 本文的主要研究内容和创新点

第2章 基于ZnO量子点异质结构的制备和光学性质研究

2.1 引言

2.2 CdS/ZnO量子点/纳米带的制备

2.3 CdS/ZnO量子点/纳米带的表征与光学性质分析

2.4 CdS/ZnO异质结构光催化性能研究

2.5 ZnS/ZnO量子点/纳米带的制备

2.6 ZnS/ZnO量子点/纳米带的表征与光学性质分析

2.7 本章小结

第3章 CuS微米花状结构制备及其电化学性质研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 样品的表征

3.4 CuS花状结构的电化学性质研究

3.5 本章小结

第4章 总结和展望

参考文献

科研成果与参与项目情况

致谢

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