不同形貌ZnO纳米材料的制备及表征

摘要

近年来,由于ZnO纳米材料在太阳能电池、场效应晶体管、气敏传感器、生物传感器、短波发光二极管、短波激光器以及其他光电器件等方面有重要潜在应用,ZnO纳米材料成为国内外研究的热点.ZnO是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料,室温下禁带宽度为3.37 eV,而且具有很高的激子束缚能(60 meV),在光电、压电、热电等各个领域都具有优异的性能.由于ZnO纳米材料的性质和特性受形貌和结构的影响较大,目前研究者多致力于制备特殊形貌的ZnO纳米结构,已经用不同的方法制备出纳米线、纳米棒、纳米管、纳米花、纳米带等不同维数多种形貌的ZnO纳米结构.
　　本文通过溶胶-凝胶法和化学溶液法制备了不同形貌的ZnO纳米结构,有棒状、片状、花状、球状.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能谱仪(EDS)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)、光致发光谱(PL)等多种测试手段对所得产物进行了结构表征和性能测试,并初步探讨了其生长机理.主要研究结果如下:
　　1.溶胶-凝胶和化学溶液法制备一维ZnO纳米棒阵列先采用溶胶-凝胶法在镀银玻璃衬底上制备ZnO纳米种子薄膜,再以六水合硝酸锌和六次甲基四胺(HMT)为主要原料,采用化学溶液法在覆有氧化锌纳米种子薄膜的衬底上制备出取向性好、排列紧密的氧化锌纳米棒阵列.测试结果表明,氧化锌纳米棒为单晶,属于六方纤锌矿结构,平均直径约为100-300nm,长约2μm.研究了ZnO种子薄膜对其定向生长的重要作用,并初步分析了ZnO纳米棒阵列的生长机理.
　　2.化学溶液法制备二维ZnO纳米片采用化学溶液法在镀有Zn膜的Si(111)、镀有ZnO种子膜的玻璃和Si(111)上制备出二维ZnO纳米片.测试结果显示制备的ZnO纳米片为六方纤锌矿结构的单晶ZnO,厚度约为50-100 nm,大小约为1-2μm,相互交错排列.比较了不同薄膜对ZnO纳米片的形貌影响,分析了纳米片的形成机理.
　　3.溶胶-凝胶和化学溶液法制备三维花状ZnO纳米结构采用溶胶-凝胶和化学溶液法在不同衬底上制备出三维花状ZnO纳米结构.分析表明,花状ZnO纳米结构由多个六方纤锌矿结构单晶ZnO纳米棒组成,在200-400nm的紫外区有强的宽带吸收，PL谱中存在364nm(3.40eV)较弱的紫外发射,421nm(2.94ev)较强的蓝光发射,521nm(2.38ev)和560nm(2.21ev)处较弱的绿光发射,并对发光机制进行了详细的分析.最后讨论了花状ZnO纳米结构的形成机理.
　　4.溶胶-凝胶法制备ZnO纳米球采用溶胶-凝胶法在玻璃片上制备出ZnO纳米球.SEM和TEM研究显示ZnO纳米球由尺寸在20-30nm的多晶ZnO晶粒组成,室温下的PL谱存在398nm处较强的紫外发射峰和482nm处极尖锐的蓝光发射峰,以及以500nm为中心的宽的绿光发射峰,分析了其发光机制及纳米球的形成机理.

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第一章 绪论

1.1 纳米材料和纳米结构

1.2 纳米材料的特性

1.3 ZnO的晶体结构和生长习性

1.4 ZnO的本征缺陷

1.5 ZnO纳米材料的特性及应用

1.6 ZnO纳米材料的制备及研究进展

1.7 选题依据及研究内容

第二章 实验设备与测试表征手段

2.1 实验设备

2.2实验中所用的主要材料和试剂

2.3 衬底的清洗和处理

2.4 样品的测试与表征

第三章 一维ZnO纳米棒阵列的制备及其特性研究

3.1 引言

3.2 一维ZnO纳米棒阵列的制备

3.3 一维ZnO纳米棒阵列的表征

3.4 一维ZnO纳米棒阵列的生长机理

3.5 本章小结

第四章 二维ZnO纳米片的制备及表征

4.1 引言

4.2 二维ZnO纳米片的制备

4.3 二维ZnO纳米片的表征

4.4二维ZnO纳米片的生长机理

4.5 本章小结

5.1 引言

5.2 三维花状ZnO纳米结构的制备

5.3 三维花状ZnO纳米结构的表征

5.4 花状ZnO纳米结构的生长机理

5.5 本章小结

第六章 ZnO纳米球的制备与表征

6.1 引言

6.2 ZnO纳米球的制备

6.3 ZnO纳米球的表征

6.4 ZnO纳米球的生长机制

6.5本章小结

第七章 全文总结

7.1 本文的主要研究结果

7.2 对今后研究工作的建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢