阴极电沉积法制备ZnO薄膜的微结构及其性能表征

摘要

ZnO是一种重要的宽禁带半导体材料，有着优异的性能，在光电、铁电、热电、压电等领域都具有广泛的应用前景。阴极电沉积法制备ZnO薄膜具有对设备要求低、成膜效果较好、适于大批量的生产等特点，因此本文采用阴极电沉积法在ITO导电玻璃上制备了ZnO薄膜，利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见分光光度计（UV-Vis）等测试仪器，研究了沉积电位、电解液浓度和组成对ZnO薄膜的结构形貌及光学性能的影响。
　　 结果表明，在电解液为单一的Zn(NO3)2溶液时，制备的ZnO薄膜具有明显的(002)面择优取向，为六角柱状结构。电解液浓度为0.05M时，随着沉积电位的增加，ZnO(002)面择优取向会增强，同时纳米柱的直径也会增加，平均晶粒尺寸减小。沉积电位为-0.75V、-0.80V、-0.85V时制备的ZnO的平均晶粒尺寸分别为31.54nm、26.22nm、24.66nm，纳米柱直径分别为200nm、400nm、500nm，禁带宽度分别为3.12eV、3.27eV、3.29eV，光电流密度分别为1.18μA/cm2、1.07μA/cm2、0.89μA/cm2。
　　 沉积电位为-0.80V时，随着电解液浓度的增加，ZnO(002)面择优取向会增强，同时纳米柱的直径也会增加，平均晶粒尺寸减小。电解液浓度为0.01M、0.02M、0.05M时制备的ZnO的平均晶粒尺寸分别为36.76nm、26.39nm、26.22nm，纳米柱直径分别为125nm、200nm、400nm。电解液为0.01M和0.02M时，由于电解液浓度较低，相同时间内制备的ZnO薄膜较薄，在紫外吸收曲线中只出现了一个由基底ITO和ZnO薄膜共同作用而形成的吸收边，随着电解液浓度的增加，吸收先减小后增加。
　　 电解液中加入NaCl和不同浓度甲醇后，ZnO的结构和形貌都发生了很大变化。加入NaCl后，ZnO(002)面衍射峰强度仍然最强，择优取向明显，但同时出现了NaClO3的衍射峰和一未知的杂峰;此时ZnO为纳米片状结构，尺寸较大，随着沉积电位的增加，纳米片越来越密集，吸收增强。电解液中加入不同浓度甲醇后，随着甲醇浓度的增加(101)面衍射峰逐渐增强，而(002)面衍射峰逐渐减弱;开始ZnO仍为纳米柱状结构，随着甲醇浓度的增加纳米柱的直径在增加，甲醇浓度为80％时ZnO为纳米片状结构，甲醇浓度增加到100％时ZnO为网状结构，并且此时在XRD图中未出现ZnO对应的衍射峰。
　　 本文的创新点:
　　 1、较系统的研究了对电沉积影响较大的几个因素，沉积电位、电解液浓度和添加剂对ZnO薄膜结构、形貌及性能的影响，为寻找最优工艺参数打下基础。
　　 2、通过加入不同添加剂改变了ZnO的形貌，并分析其形成的机理，为后续的量子点修饰工作打下基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 ZnO的晶体结构及其基本性质

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 样品的制备与表征

2．1 电化学沉积的基本理论

2．1．1 电化学沉积的过程

2．1．2 电化学沉积的影响因素

2．2 电化学沉积ZnO薄膜的实验原理

2．2．1 Zn(NO3)2水溶液体系

2．2．2 ZnCl2水溶液体系

2．3 电化学沉积ZnO薄膜的实验

2．3．1 实验试剂及实验装置

2．3．2 实验步骤

2．4 通过循环伏安法确定沉积电位范围

2．5 样品的表征

2．5．1 晶体结构

2．5．2 表面形貌分析

2．5．3 光学性能表征

2．5．4 光电流测试

2．6 本章小结

第三章 沉积电位对ZnO薄膜结构及性能的影响

3．1 样品制备

3．2 XRD分析

3．3 表面形貌分析

3．4 光学性能分析

3．5 光电流测试

3．6 本章小结

第四章 电解液浓度对ZnO薄膜结构及性能的影响

4．1 样品制备

4．2 XRD分析

4．3 表面形貌分析

4．4 光学性能分析

4．5 本章小结

第五章 添加剂对ZnO薄膜结构及性能的影响

5．1 NaCl作为添加剂

5．1．1 样品制备

5．1．2 XRD分析

5．1．3 表面形貌分析

5．1．4 光学性能分析

5．2 甲醇作为添加剂

5．2．1 样品制备

5．2．2 XRD分析

5．2．3 表面形貌分析

5．2．4 光学性能分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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