取向ZnO纳米线阵列的制备及在纳米发电机中的应用

摘要

ZnO的禁带宽度是3.34eV，激子束缚能大约是60meV[1]，作为一种新型的直接宽禁带半导体材料，它具有很多优于其他半导体材料的典型特征，近来受到世界范围内研究者的广泛重视。针对ZnO半导体材料在纳米压电及纳米发电机中的应用现状，本论文利用水热合成法，在zn片上成功制备出高取向的ZnO纳米阵列，通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、光致发光(PL)等测试手段对制备的取向ZnO纳米阵列样品进行了表征。最后，论文利用不同条件下制备的取向ZnO纳米阵列样品组装了一种可将电磁辐射能转变为电能的纳米发电机。
　　 本论文的主要研究内容及创新点如下：
　　 (1)、论文首先利用水热合成法，采用氨水作为O源，Zn片作为Zn源，在密闭的反应釜中，通过改变NH4+离子浓度和生长时间，找到了制备高取向ZnO纳米线阵列的最佳实验参数。研究发现，最佳实验参数为：氨水与水按体积比1:5，反应时间为24h，反应温度为100℃条件下，可制备出直径400nm，长度平均长度约为3u～15um左右的大面积高取向ZnO纳米线阵列。
　　 (2)、对不同实验条件下制备的取向ZnO纳米阵列样品用扫描电子显微镜(SEM)进行形貌分析，发现不同生长参数下制备的纳米线阵列直径大小约为几百纳米，平均长度约为3u～15um左右，纳米线粗细均匀，表面光滑，晶体呈现圆柱状及六角柱状；XRD进行图谱分析发现，制备的ZnO样品纳米线阵列结构为常见的六方纤锌矿结构，所有样品都具有在(002)晶面上择优生长的特点。研究发现溶液浓度越大，(002)晶面择优生长的趋势形貌越好；PL光谱分析表明，ZnO纳米线阵列在368.59nm的紫光区有一个非常尖锐的波峰，该发射峰能量为3.364ev，通过激子能量分析，发现制备的ZnO样品纳米线阵列是典型的N型半导体[2]。样品PL光谱谱峰中只有368.59nm处的一个波峰，没有发现杂质及缺陷发光峰，说明制备的ZnO纳米线阵列具备的晶形完整，品格缺陷较少。
　　 (3)针对目前王中林研究小组制备的压电纳米发电机在驱动能源要求苛刻及纳米电机输出电流过小等问题，论文利用不同生长参数下制备的ZnO纳米线阵列，采用不同的电极材料组装了一种可将电磁辐射能转变为电能的纳米发电机。利用手机辐射信号作为电磁波辐射源，通过控制变量的方法对制备出的各种纳米发电机的输出电流进行了测试比较，发现最佳参数下，纳米电机的输出电流可达到几十微安，远高于目前压电纳米发电机的电流输出值。论文探究分析了这种新型纳米半导体发电机的发电机理，这种新型纳米发电机利用了电磁感应原理，可将连接ZnO纳米线阵列与金属电极的连线等效为对称振子天线，对称振子天线可感应接收空间中的高频交变电磁信号，并在对称振予天线中感应出交变电流。而ZnO半导体纳米阵列与金属电极间因肖特基接触将形成一个PN结，类似于一个检波二极管，具有单向导通的整流特性。最后，整个系统就可将连接ZnO纳米线阵列与金属电极的两根金属导线感应出的交变电流转换为直流电流输出。利用电磁感应定律制备的ZnO纳米半导体发电机，其输出输出电流值大大提高，从nA数量级达到了uA数量级。因本论文研究的新型纳米发电机中所用ZnO取向半导体纳米线阵列价格低廉，发电方法简单，实用寿命长，应用前景广泛。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 纳米技术与纳米材料

1.2 纳米ZnO半导体概述

1.2.1 ZnO的品格结构

1.2.2 ZnO的基本特性

1.3 几种制备ZnO纳米阵列的方法

1.3.1 气相沉积法概述

1.3.2 水热法

1.3.3 溶胶-凝胶法(Sol-gel)

1.3.4 模板法

1.4 国内国际关于纳米ZnO的研究现状

1.4.1 ZnO的研究现状

1.4.2 ZnO的应用研究现状

1.4.3 新型纳米发电机的应用前景

1.4.4 现阶段纳米发电机研究中的一些不足之处

1.5 论文研究内容及创新点

1.5.1 研究内容

1.5.2 创新点

2.ZnO纳米阵列的水热法制备与形貌表征分析

2.1 实验制备

2.1.1 实验方法

2.1.2 制备取向ZnO纳米线阵列的实验仪器

2.2 取向ZnO纳米线阵列的SEM、XRD、PL表征

2.2.1 取向ZnO纳米线阵列的SEM表征

2.2.2 ZnO纳米线阵列的XRD图

2.2.3 ZnO纳米线阵列的PL光谱

2.3 水热制备机理

2.4 实验结论

3.利用电磁感应定律制备的新型纳米发电机

3.1 ZnO纳米发电机的制备组装

3.2 ZnO纳米发电机发电原理

3.3 电机性能测试

4 论文结论

参考文献

攻读硕士期间发表学术论文情况

致谢