硅基板上氧化锌纳米结构的制备与表征

摘要

氧化锌(ZnO)作为Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.4 eV左右，同时ZnO激子束缚能高达60 meV，在光电、催化、传感以及生化等不同领域有广阔的应用前景。一维和二维ZnO纳米结构具有许多新奇的性能，可以用于纳米紫外激光器、发光二极管、场发射晶体管和太阳能电池等纳米光电器件的构建模块，因此成为纳米半导体材料领域研究的新热点。 鉴于气相法制备纳米ZnO一般需要昂贵的实验设备、较高的实验温度和较为严格的实验条件，本文工作着眼于低成本、低反应温度的湿化学法，在硅(Si)基板上制备了ZnO超薄膜和零维点结构、一维棒结构到二维片结构的纳米ZnO。首先，从旋涂法易于制备薄膜的角度出发，在Si基板上制备了ZnO薄膜，并结合分相原理通过旋涂过程中先驱物超薄层的分相制备了ZnO纳米点。然后，以ZnO薄膜和纳米点提供晶种进行后续生长，制备ZnO纳米片和ZnO纳米棒。通过不同的制备条件，可实现ZnO纳米结构的形貌变化和可控生长，本文对其结构和性能进行表征，并对其形成机理进行了讨论。 本文的主要工作和取得的主要结果如下： 1.采用旋涂法在Si基板上制备ZnO薄膜、密度可调的ZnO纳米点，并获得了纳米环和多孔膜等结构。 2.利用Si基板上的ZnO薄膜作为晶种层，以高碱性、一定浓度的Zn(NO<,3>)<,2>溶液作为生长母液，通过溶液生长法在室温下制备出ZnO纳米片薄膜和ZnO纳米片微球薄层。ZnO纳米片的平均厚度为20～25 nm，ZnO纳米片微球的平均直径约为3.5 μm，这些二维纳米片结构显示了较好的发光性能和亲水性。 3.利用Si基板上的ZnO薄膜、纳米点提供品种，采用低温水热法(90℃)制备了有序的ZnO纳米棒阵列，棒的直径在20～40 nm之间。通过调整ZnO薄膜的形态和ZnO纳米点的密度，实现ZnO纳米棒密度的调控和选择性区域生长。ZnO纳米棒阵列显示了很强的紫外发光特性和疏水性能，同时随着ZnO纳米棒密度的变化，其发光性能和润湿性可实现调控。

目录

文摘

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致谢

第1章绪论

1.1引言

1.2半导体纳米材料及特性

1.2.1表面与界面效应

1.2.2小尺寸效应

1.2.3量子尺寸效应

1.2.4宏观量子隧道效应

1.3 ZnO基本性质和研究进展

1.3.1 ZnO的基本性质

1.3.2纳米ZnO的研究进展

1.3.3纳米ZnO研究展望

1.4纳米ZnO的制备

1.4.1气相法制备

1.4.2液相法制备

1.4.3固相法制备

1.4.4模板法制备

1.5纳米ZnO的性能及应用

1.5.1光学性能及应用

1.5.2电学性能及应用

1.5.3铁磁性能及应用

1.5.4气敏性能及应用

1.5.5催化性能及应用

1.5.6其他性能及应用

1.6课题的提出

第2章实验部分与表征方法

2.1实验原料与设备

2.2实验内容

2.3表征方法

2.3.1 X射线衍射(XRD)

2.3.2扫面电子显微镜(SEM)

2.3.3透射电子显微镜(TEM)

2.3.4原子力显微镜(AFM)

2.3.5光致发光光谱(PL)

2.3.6水接触角(CA)

第3章旋涂法制备ZnO纳米结构

3.1实验过程

3.2实验结果与讨论

3.2.1 ZnO薄膜的制备与表征

3.2.2 ZnO纳米点的制备与表征

3.2.3添加剂对ZnO纳米结构的影响

3.3本章小结

第4章室温溶液生长法制备ZnO纳米片

4.1实验过程

4.2实验结果与讨论

4.2.1 ZnO纳米片的制备与表征

4.2.2 ZnO纳米片微球的制备与表征

4.3本章小结

第5章水热法制备ZnO纳米棒

5.1实验过程

5.2实验结果与讨论

5.2.1 ZnO薄膜水热生长制备ZnO纳米棒

5.2.2 ZnO纳米点水热生长制备ZnO纳米棒

5.3本章小结

第6章全文总结

参考文献

作者简历