锌片直接水热腐蚀法制备氧化锌纳米结构及其发光性质研究

摘要

ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带半导体材料，ZnO纳米材料兼具纳米材料特性和半导体材料两方面的独特性质，在液晶显示器、太阳能电池、功能纤维、污水处理、光催化和紫外发光器件等领域表现出潜在的应用前景。最近几十年来，关于ZnO纳米材料，在制备方面的研究已取得了巨大的进步，但仍存在很多问题需要解决。目前，ZnO纳米材料的形貌和微结构的有效控制及其光学性质的调控是研究人员关注的热点。
　　 本文主要以ZnO纳米结构的形貌调控和发光性质为研究对象，采用水热法在低温、无污染的情况下制备出ZnO纳米棒、纳米片、纳米管、纳米铅笔和纳米花，并研究了影响ZnO纳米结构形貌、结构和性能的一些相关因素，主要包括反应温度、反应时间等。最后，我们用X射线粉末衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对所制备出的不同形貌纳米ZnO进行表征并用荧光光谱仪探讨了纳米ZnO的发光特性。本论文的主要研究内容归纳如下：
　　 1，发展了一种简单方便低能耗的ZnO纳米结构合成手段：仅仅以水和Zn片为原料，在不使用任何表面活性剂的前提下，获得了形貌可控的ZnO纳米材料，包括纳米棒、纳米铅笔、纳米管和纳米花。结果表明ZnO为六角纤锌矿结构，且反应时间和反应温度对其结晶质量和形貌起着关键作用。室温下样品PL谱在392nm附近有一个很强的紫外发光峰和532nm附近的一个相对较弱的绿光峰。此外，部分样品还被观测到一个中心波长在473nm的蓝光的发光峰。
　　 2，采用水热腐蚀的方法获得了一种PVP/ZnO复合纳米结构：在使用PVP（聚乙烯基吡咯烷酮）作为表面活性剂，采用水热直接腐蚀Zn片方法，制备出了纳米片状的ZnO结构，所得样品仍是六角纤锌矿结构。其室温下的PL光谱图中只显示出了一个很强的紫外发光峰，发光中心在380nm处，而没有出现其他的发光峰。我们推测可能的原因是PVP有助于ZnO纳米结构结晶质量的提高，获得了高质量的无任何缺陷的ZnO纳米结构。
　　 3，获得了一种自支撑结构的ZnO纳米阵列结构：采用后续低温退火的方法将剩余的Zn进行氧化，获得了ZnO片状结构支撑ZnO纳米阵列的自支撑结构。研究还发现随着退火时间的增加，晶粒的尺寸也在逐渐的增大，但是PL谱图中的发光强度则出现了先增后减的现象。发光强度的增加可能来源于短时间退火导致的结晶改善，而强度的减小我们推测可能是由于退火将Zn片氧化生成ZnO的过程中产生了巨大的内应力，从而产生了大量的缺陷，进而造成发光峰的减弱。