水热法生长ZnO纳米结构研究

摘要

Zn(O)材料禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，远高于室温热离化能26meV。这些优异的性能使Zn(O)材料在短波长发光器件、透明导电电极、压电传感器、太阳能电池、场发射器件等领域有着广阔的应用前景。ZnO纳米结构形貌非富多彩，如:纳米管、纳米棒、纳米针、纳米环以及纳米花等。由于ZnO基纳米器件的性能与纳米结构的表面形貌、特性有着重要的关系。因而进行一维ZnO纳米阵列最佳制备工艺的研究，实现ZnO纳米结构的可控生长，对于发展ZnO纳米器件的应用有着重要的意义。
　　本文以制备ZnO纳米结构为出发点，着重研究了制备工艺参数（生长温度、冷却方式、生长时间）对水热法生长的ZnO纳米阵列的影响，可得主要结论如下:
　　(1)以GaN/Al2O3为衬底，研究了生长温度(100-200℃)对水热法合成的ZnO纳米结构的影响。在较低的温度下(＜140℃)，生长出了由六角纳米颗粒组成的、连续的ZnO薄膜;而在较高温度下(＞180℃)，生长出了取向性很好的、垂直于衬底的ZnO纳米尖阵列。通过研究ZnO的初始成核情况，我们发现随着生长温度的增加，ZnO纳米颗粒的初始成核密度逐渐降低。所以，在生长温度较低时，高密度的纳米颗粒在生长中很容易彼此结连，形成ZnO薄膜;而在生长温度较高时，较低的成核密度意味着比较大的颗粒间距，在之后的生长中就容易形成相互独立的纳米棒。
　　(2)以GaN/Al2O3作为衬底，研究了三种冷却条件对水热法合成的ZnO纳米结构的影响。Ⅰ号样品不经过冷却，反应结束后直接将样片从反应釜中取出;Ⅱ号样品是将反应釜浸没到11℃的冷水中进行冷却;Ⅲ号样品是在室温条件下自然冷却。实验发现Ⅱ和Ⅲ样品的纳米线长度明显大于Ⅰ号样品的长度，这表明ZnO纳米线在11℃水中冷却和室温下自然冷却条件下仍然在继续生长。同时在电子显微镜图片中可以看出经过水冷处理的样品Ⅱ更容易产生尖锐的纳米尖。
　　(3)以Si作为衬底，研究了不同生长时间(＜1h)对水热法制备的ZnO纳米结构的影响。研究表明，随着反应时间的增加，纳米线顶部变得越来越尖锐。这是因为反应溶液在室温下放入提前设定好温度的干燥箱中，溶液的温度不断的增加，在足够长的时间后才能达到设定的生长温度。如果所用的生长时间不足以使生长溶液达到设定的生长温度，那么生长时间越长，溶液的最终温度越高，在同等的冷却条件下其冷却速率越高，越容易形成尖锐的纳米尖。

目录

声明

摘要

引言

1 ZnO半导体材料的特性及其纳米结构

1．1 ZnO半导体材料的特性

1．2 纳米材料简介及其ZnO纳米结构

1．2．1 纳米材料简介

1．2．2 丰富多彩的ZnO纳米结构

1．3 ZnO纳米材料的应用

1．3．1 纳米激光器

1．3．2 ZnO纳米线的场发射特性

1．3．3 太阳能电池

1．3．4 发光二极管

2 ZnO纳米结构的制备

2．1 气相化学沉积法

2．2 液相生长法

2．3 用模板法制备有序的ZnO纳米结构

2．4 其它生长方法

3 本文使用的表征手段和水热法制备ZnO纳米结构的实验介绍

3．1 ZnO纳米结构的表征手段

3．1．1 扫描电子显微镜(SEM)

3．1．2 X射线衍射仪(XRD)

3．1．3 光致发光谱(PL谱)

3．2 水热法制备ZnO纳米结构的实验介绍

3．2．1 实验准备及其使用设备

3．2．2 买验过程

3．2．3 水溶液法生长ZnO纳米线的生长机理

4．不同工艺参数对水溶液法制备的ZnO纳米结构的影响

4．1 温度对生长在GaN／Al2O3衬底上的ZnO纳米结构的影响

4．1．1 ZnO纳米结构在生长初期成核情况的研究

4．2 冷却速度对水溶液法生长ZnO纳米棒的纳米尖的影响

4．3 生长时间对生长在GaN／Al2O3上的ZnO纳米结构的影响

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢