电纺氧化锌纳米纤维的制备及其光电流性能研究

摘要

氧化锌(ZnO)因具有宽禁带(3.37 eV)和高激子结合能(60 MeV)等特点,而成为重要的多功能半导体材料。纳米ZnO由于尺寸小,比表面积大,具有一系列优异的电学、光学、磁学和化学性能,同时通过选择性掺杂ZnO能够有效调节其光电性能,使其在电学、光学、生物、医药等领域具有广阔的发展前景。本文采用静电纺丝法制备了ZnO及铝(Al)掺杂ZnO(AZO)纳米纤维膜,研究了Al掺杂对ZnO微观结构及光电性能的影响。在此基础上,通过在聚3-十二烷基噻吩(PAT12)的氯仿溶液中浸泡吸附的方法,制备了纳米ZnO／PAT12复合薄膜材料,研究了PAT12的加入对ZnO纳米纤维膜光学、电学性能的影响。
　　 首先研究了该体系的最佳静电纺丝工艺,制备的ZnO纳米纤维的平均直径约为169nm。结果显示,Al掺杂量的提高会引起ZnO纳米纤维变细、晶粒尺寸减小、紫外区吸收峰蓝移以及荧光光谱增强,之后对这些现象进行了探讨分析。此外,紫外可见吸收光谱结果表明随Al掺杂量的提高,ZnO禁带宽度增大,证明能够通过制备方法中Al掺杂调控ZnO纳米纤维的微观形貌及物理性能。
　　 研究发现,电纺制备的ZnO纳米纤维膜在白光照射下具有光电流响应。随Al掺杂量(0 at％-3 at％)的提高,ZnO纳米纤维的导电性呈现先增大后减小的趋势,在白光照射下的光电流响应也出现先增强后减弱现象,当Al掺杂量为1at％时,光电流强度最高,衰减现象最弱,与未掺的ZnO纳米纤维相比,光电流强度提高了近100％,光电流约为暗电流的30倍,有望应用于光电转换领域。PAT12与ZnO纳米纤维复合可以有效拓宽薄膜光谱吸收范围,且PAT12的加入能够显著提高ZnO纳米纤维膜的光电流响应性能,光电流强度提高了约80％,因此基于ZnO电纺纳米纤维的ZnO／PAT12薄膜材料在光电转换领域也具有潜在的应用价值。