ZnO纳米棒阵列的制备和光发射

摘要

ZnO由于易于制备和优良的光电特性而可望成为下一代光电子材料，尤其是一维纳米结构ZnO，室温下具有较高的紫外光发射效率和较低阈值的受激辐射本领，因而在包括紫外激光器的紫外发光器件制作方面具有良好的前景;排列整齐的一维ZnO纳米结构具有良好的电子传导本领，因此可用作太阳能电池的工作电极，有效分离电子-空穴对并成为电子传输的优良通道。
　　本论文以ZnO纳米棒为研究对象，在用两步法成功制备排列整齐的ZnO纳米棒阵列的基础上，研究了ZnO纳米棒阵列的光发射特性，在室温条件下获得较强的紫外光致荧光发射和低阈值的紫外受激辐射。本论文还以ZnO纳米棒阵列为基础，尝试了ZnO/CdS和ZnO/ZnSe复合纳米结构的制备。本论文的主要工作包括三个部分。
　　第一部分考察了影响ZnO纳米棒生长的多种因素，包括缓冲ZnO和衬底晶格失配、辅助ZnO纳米棒生长的籽晶层，用于ZnO纳米棒水热生长锌盐种类和浓度，以及ZnO纳米棒水热生长的条件。研究表明:相对于ZnCl2而言，以Zn(NO3)2·6H2O为锌盐与HMT溶液反应，更易水热生长得到长径比高、发光性能优异质的ZnO纳米棒阵列;用ECR-PLD方法沉积的ZnO纳米晶籽晶层可以有效缓冲ZnO和Si之间的晶格失配、辅助ZnO纳米棒生长、并诱导ZnO纳米棒沿垂直衬底方向生长，ZnO纳米棒的生长还受籽晶层的厚度及晶粒的影响，其中，经400℃退火处理的20 nm厚的ZnO纳米晶是生长ZnO纳米棒、制备ZnO纳米棒阵列的理想的籽晶层;而溶液浓度0.04 mol/L(M)、水热温度90℃和生长时间6小时是较佳的水热生长排列整齐的ZnO纳米棒阵列的条件。
　　第二部分在对ZnO纳米棒阵列的形貌观察、结构表征以及退火处理的基础上，重点研究了ZnO纳米棒阵列的光发射特性。结构表征显示，制备的ZnO纳米棒为c-轴取向的纤锌矿结构，由平均尺寸为46 nm纳米晶构成;直径30至70nm、长度约为1.1μm、排列整齐的ZnO纳米棒形成的阵列具有良好的室温光发射特性，特别低阈值的受激辐射，在连续的紫外光的激励下可以发射较强的紫外光，在30 ps的脉冲紫外泵浦下可以发射类似于随机激光的紫外受激辐射，受激辐射的阈值约为16 kW/cm2。ZnO纳米棒阵列优异的紫外光发射特性归因于高结晶质量ZnO纳米棒的整齐排列。
　　第三部分在成功制备ZnO纳米棒阵列的基础上，用脉冲激光沉积法在ZnO纳米棒阵列上沉积CdS或ZnSe薄膜，尝试ZnO/CdS和ZnO/ZnSe复合纳米结构的制备。两种复合纳米结构的表面形貌观察、晶体结构测试和发光特性测量的结果表明:ZnO/ZnSe复合纳米结构的稳定性要高于ZnO/CdS，在相同的沉积时间下，CdS纳米颗粒只能覆盖至ZnO纳米棒长度的1/2，而ZnSe可以覆盖纳米棒长度的3/4;通过XRD表征我们得到了位于2θ=26.55°处的CdS四面体相或六角相的衍射峰和位于2θ=27.3°处的ZnSe四面体相，并估算出ZnO/CdS和ZnO/ZnSe复合纳米结构中的CdS和ZnSe的平均晶粒大小分别为22.7和16.3nm;在室温时紫外连续激光的激励下，两种复合纳米结构的UV发光峰相比纯ZnO纳米棒阵列均有所减小，ZnO的缺陷发光峰也有所减小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 ZnO材料概述

1．3 一维ZnO纳米结构的制备方法

1．3．1 气相沉积法

1．3．2 有机金属化学气相沉积法

1．3．3 脉冲激光沉积法

1．3．4 水热法

1．4 一维ZnO纳米结构的主要应用

1．4．1 平板显示器

1．4．2 紫外发光二极管和激光器

1．4．3 基于一维无机纳米线的有机聚合物太阳能电池

1．4．4 纳米发电机

1．4．5 紫外探测器

1．5 本论文的主要内容和意义

第二章 一维ZnO纳米结构的制备和测试方法

2．1 两步法制备一维ZnO纳米结构

2．1．1 ECR-PLD制备ZnO籽晶层

2．1．2 水热法生长一维ZnO纳米结构

2．2 ZnO纳米棒的表征方法

2．2．1 场发射扫描电镜(FESEM)

2．2．2 X射线衍射术(XRD)

2．2．3 傅立叶变换红外光谱(FTIR)

2．2．4 拉曼散射光谱(Raman scattering spectroscopy)

2．2．5 光致发光谱(PL)

2．2．6 光泵浦受激发射谱

第三章 ZnO纳米棒阵列的生长和表征

3．1 不同锌盐对ZnO纳米棒生长的影响

3．2 籽晶层对ZnO纳米棒生长的影响

3．2．1 籽晶层的作用

3．2．2 籽晶层的退火处理

3．2．3 籽晶层的厚度

3．3 不同水热条件对ZnO纳米棒生长的影响

3．3．1 前驱溶液浓度

3．3．2 水热生长温度

3．3．2 水热生长时间

3．4 本章小结

第四章 有序ZnO纳米棒阵列的光发射特性

4．1 ZnO纳米棒表面形貌

4．2 ZnO纳米棒晶体结构

4．3 ZnO的物相和晶格振动模式

4．4 光致发光谱

4．4．1 常温光致发光谱

4．4．2 低温光致发光谱

4．4．2 变温光致发光谱

4．5 光泵浦受激发射

4．6 本章小结

第五章 ZnO／CdS和ZnO／ZnSe复合纳米结构及其特性

5．1 ZnO／CdS和ZnO／ZnSe复合纳米结构的应用介绍

5．2 ZnO／CdS复合纳米结构的制备与表征

5．3 ZnO／ZnSe复合纳米结构的制备与表征

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

后记 攻读硕士期间发表的论文