掺杂氧化锌纤维膜的制备表征及外延生长研究

摘要

ZnO是Ⅱ一Ⅵ族化合物，储量丰富，具有半导体、光电、热电、压电、光催化、气敏、生物相容等优良性质。在ZnO中进行其它元素的掺杂，可以改善和提高其性能，应用于各种传感器件、发光器件和显示器件中。Al掺杂的ZnO(AZO)导电薄膜成本低廉，可替代昂贵的氧化铟锡(ITO)作电极。在ZnO中掺杂Mg元素可以调节ZnO的禁带宽度，制备日盲探测器和紫外发光器件。
　　 静电纺丝法是一种装置简单、成本低廉、生产纳米纤维膜的方法。我们采用静电纺丝法在Si基底上制备了不同Mg掺杂浓度的ZnO纳米纤维膜，利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、光致发光(PL)等手段对不同Mg掺杂浓度ZnO纳米纤维膜的表面形貌、晶体结构、化学成分、发光性能进行研究。扫描电镜结果表明MgxZn1-xO纳米纤维的直径在50-100nm。XRD结果表明在Mg掺杂浓度低于15％(x=0.15)时，晶体呈现ZnO六角纤锌矿结构，当掺杂浓度达到20％(x=0.2)时，晶体出现了MgO的分相。XPS结果表明Mg已成功掺入到ZnO纳米纤维中。光致发光谱表明MgxZn1-xO具有较强的紫外发射，而对于可见光的发射几乎观察不到，且随着Mg掺杂浓度的增加，发光峰明显出现蓝移，最大蓝移波长22nm，实现了对ZnO能带的剪裁。
　　 采用静电纺丝法在Si基底上制备了不同Al掺杂浓度的ZnO纤维膜。研究了Al掺杂浓度对ZnO纤维膜表面形貌、晶体结构、光致发光和伏安特性的影响。SEM结果表明掺入导电性强的离子型盐类AlCl3后，更利于纺丝过程的进行，得到直径更小、均一程度更好的纤维。XRD结果表明Al掺杂浓度在8％以内时，不影响样品的晶体结构，晶体只呈现ZnO的六角纤锌矿结构。PL谱表明Al掺杂可以大大提高ZnO紫外发光强度，而对ZnO紫外发光峰的峰位置影响不大，只在很小的范围内发生移动。在对Al掺杂ZnO纤维膜的场发射测试中发现，Al掺杂ZnO纤维膜具有电阻开关的特性。
　　 我们采用静电纺丝结合水热法制备了ZnO纳米纤维-纳米棒复合结构。SEM结果表明，使用静电纺丝结合水热法制备的纳米纤维-纳米棒结构具有很大的比表面积和孔隙率，实现了纳米纤维对纳米棒生长方向的引导。

目录

文摘

英文文摘

主要创新点

第一章 绪论

1.1 ZnO的晶体结构和基本性质

1.1.1 ZnO的晶体结构

1.1.2 ZnO的基本性质

1.2 纳米ZnO的性质和应用

1.2.1 纳米技术

1.2.2 纳米ZnO的光学性质及应用

1.2.3 纳米ZnO压电性质及应用

1.2.4 纳米ZnO的电学性质及应用

1.2.5 纳米ZnO的气敏效应及应用

1.2.6 纳米ZnO的其他性质和应用

1.3 纳米ZnO薄膜的制备方法

1.3.1 化学气相沉积(CYD)

1.3.2 磁控溅射

1.3.3 溶胶-凝胶(Sol-gel)

1.3.4 电化学沉积

1.3.5 脉冲激光沉积(PLD)

1.4 选题背景和研究内容

第二章 静电纺丝

2.1 引言

2.2 静电纺丝的历史

2.3 静电纺丝装置及原理

2.3.1 聚合物范围

2.3.2 静电纺丝的影响参数

2.4 静电纺丝的应用

第三章 静电纺丝法制备MgxZn1-xO纳米纤维膜

3.1 引言

3.2 实验装置和原材料

3.2.1 实验装置

3.2.2 实验原材料

3.3 实验过程

3.3.1 纺丝前躯体溶液的配制

3.3.2 纺丝

3.4 退火温度和收集板类型对ZnO纳米纤维膜的影响

3.4.1 退火温度对ZnO纳米纤维膜表面形貌和晶体结构的影响

3.4.2 收集板类型对ZnO纳米纤维膜表面形貌的影响

3.5 Mg掺杂对ZnO纳米纤维膜的影响

3.5.1 Mg掺杂浓度对ZnO纳米纤维膜形貌的影响

3.5.2 Mg掺杂浓度对ZnO纳米纤维膜晶体结构的影响

3.5.3 Mg掺杂浓度对ZnO纳米纤维膜发光性质的影响

第四章 Al掺杂对ZnO纤维薄膜性质的影响

4.1 引言

4.2 Al掺杂ZnO纳米纤维薄膜的制备

4.2.1 实验原材料

4.2.2 实验仪器

4.2.3 实验过程

4.3 结果与讨论

4.3.1 Al掺杂浓度对ZnO纳米纤维薄膜表面形貌的影响

4.3.2 Al掺杂浓度对ZnO纤维膜晶体结构的影响

4.3.3 Al掺杂浓度对ZnO纳米纤维膜发光性能的影响

4.4 Al掺杂ZnO纳米纤维膜的电阻开关特性

第五章 水热法在ZnO纳米纤维上生长ZnO纳米棒

5.1 引言

5.2 水热法简介

5.3 ZnO纳米纤维-纳米棒的制备

5.3.1 实验材料

5.3.2 实验仪器

5.3.3 实验过程

5.4 实验结果分析

5.5 结论

第六章 结论与展望

参考文献

在校期间论文发表情况

致谢