阴极电沉积法制备ZnO纳米棒阵列微结构、润湿性等性能的研究

摘要

ZnO是具有3.37eV能隙的宽带隙半导体，由于其在电子、光子和光学及生物等领域的出色表现，可广泛应用于各类高科技领域。为了制备不同尺寸，晶体结构，晶形和颗粒形状的ZnO，开发了多种制造方法。本文使用阴极电沉积法制备ZnO纳米棒阵列，利用X射线衍射仪、扫描电镜、接触角测量仪、拉曼光谱仪等测试仪器，研究两种基底（ITO/Ti片）上改变沉积时间、电解液组成成分比例对其微观结构形貌、润湿性以及光学性能等的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴通过改变电化学沉积的时间在ITO基底上制备ZnO纳米棒阵列。XRD结果表明ZnO呈六方纤锌矿结构，随着电沉积时间的增长，结晶度以及002方向的择优取向生长都得到增强，同时纳米棒的直径、表面粗糙度和ZnO纳米棒阵列的厚度都变大。所有的样品都展现出疏水性，水接触角在电沉积120min时逐渐上升到120°，经过10min紫外光照，ZnO纳米棒阵列表面润湿性转化为亲水性，光照后水接触角与未经紫外照射前的比例为73.5％、63.5％、48.3％和24.2％，分别对应沉积时间10min、30min、60min和120min的样品。光致发光(PL)光谱结果显示随着电沉积时间的增加，ZnO的紫外发光峰（本征发光峰）的峰强比由2.26％提升到63.84％，同时可见光发光峰（缺陷导致的发光峰）的峰强比降低，说明沉积时间从10min增长至120min, ZnO薄膜的内在缺陷减少。拉曼图谱的分析表明，ZnO纳米棒阵列在这些条件下呈现439cm-1，566cm-1，和1097cm-1三处特征峰，分别对应了ZnO阵列的E2光声子振动模、E1L光声子振动模以及E3单晶振动模。⑵保持其他条件不变，改变电解液浓度组成（Zn2+浓度不变），在Zn(NO3)2中掺入ZnCl2溶液，XRD结果表明，所有的峰都归因于六方纤锌矿结构，晶粒尺寸随着ZnCl2浓度的增加而变小，晶核数量增加，同时c轴(002)方向择优取向减弱。SEM结果显示，随着Zn(NO3)2浓度的降低，纳米结构由棒状变为锥状，其中ZnO的直径，除了浓度比为1∶1的样品之外，持续减小，且纳米结构的顶端由“吞并”状态改变为远离，间隙得到增加。PL光谱显示Zn(NO3)2电解液制备的样品A紫外发射峰相对较强，随着电解液中ZnCl2浓度比的增加，紫外发射峰比率增强，纯ZnCl2电解液制备的样品E的紫外发射峰比率为最小，缺陷最多，随着氯离子浓度的增大，一个极少见的位于350nm处的发光峰逐渐显现。在紫外照射之前所有的样品均表现为较强的疏水性，且随着ZnCl2浓度的增长，水接触角有先增加后减小的趋势，可能与表面粗糙度变大以及结晶度变差的综合结果有关。ZnO纳米棒阵列的可润湿性在15分钟紫外照射后从疏水性改变为亲水性，并且水接触角的光诱导变化从45.8至12.9％，这可能是与润湿模型的变化、ZnO纳米结构的表面粗糙度大小差异以及间隙有关。紫外吸收谱表明，随电解液中氯离子浓度的增加而增加，禁带宽度不断增加至3.34接近标准值3.37eV。⑶改变沉积时间在Ti片上制备ZnO纳米棒阵列。SEM结果显示，所有样品均为棒状六棱锥形貌，随着电沉积时间的增加，纳米棒的直径、棒之间的间隙减小。在PL光谱中所有样品都具有窄的紫外发射峰，在可见光区显示宽的发光区，并且随着电沉积时间增加，缺陷先减小后增加，在45 min时候达到最小。样品的沉积时间由15分钟增长到60分钟，在紫外照射之前的水接触角逐渐变小，这可能与表面粗糙度变小有关。ZnO纳米棒阵列的可润湿性在2小时紫外照射后全部转换为超亲水性，并且水接触角还原率的光诱导变化先变大后变小，在45 min时达到最大，这可能与润湿模型的转变、ZnO纳米棒阵列的表面粗糙度大小差异以及薄膜的缺陷多少有关。禁带宽度曲线与光电流曲线都与PL光谱有相同的规律性，都在45min时候达到最大值（紫外峰强、禁带宽度与光电流大小）。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 ZnO的基本性质及其晶体结构

1．2 ZnO薄膜的研究现状

1．3 本文的主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 实验原理与制备表征

2．1 实验原理

2．1．1 电沉积原理

2．1．2 实验过程原理

2．1．3 润湿性表征原理

2．2 ZnO薄膜的制备

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 实验方法

2．3 ZnO样品的表征

2．3．1 晶体微结构表征：XRD

2．3．2 表面形貌表征：SEM

2．3．3 表面粗糙度表征：触针台阶仪

2．3．4 润湿性表征：接触角测量仪

2．3．5 光学性质表征：PL，Raman，UV

2．4 本章小结

第三章 沉积时间对ITO上制备ZnO纳米棒阵列微结构、润湿性、光学等性能的影响

3．1 样品制备

3．2 XRD分析

3．3 SEM分析

3．4 Wettability分析

3．5 PL分析

3．6 Raman分析

3．7 本章小结

第四章 Zn(NO3)2电解液和ZnCl2电解液掺杂沉积ZnO纳米棒阵列

4．1 样品制备

4．2 XRD分析

4．3 SEM分析

4．4 PL分析

4．5 Wettability分析

4．6 UV紫外

4．7 本章小结

第五章 沉积时间对Ti片上制备ZnO薄膜微结构、润湿性、光学等性能的影响

5．1 样品制备

5．2 SEM分析

5．3 PL分析

5．4 Wettability分析

5．5 UV紫外

5．6 光电流

5．7 本章小结

第六章 归纳与展望

6．1 结论归纳

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与项目、发表论文、参加学术会议及奖学金