两步法制备的ZnO纳米棒阵列及其光学特性研究

摘要

采用两步法制备ZnO纳米棒阵列，先用磁控溅射在Si(100)表面生长一层ZnO籽晶层，再利用液相法制备空间取向高度一致的ZnO纳米棒阵列。我们采用的工艺很好地解决了由于低温导致结晶质量不好的问题，不仅具有操作简单、生长时间短、成本低、清洗方便、重复率高和紫外发光强等优势，而且有利于纳米棒在器件上的应用。本文分析了竖直放置衬底时两步法制备纳米棒的生长机制，讨论了一些影响因素。对退火对ZnO纳米棒光致发光的影响和其发光原因进行了探讨。 第一章首先在对纳米材料和纳米技术进行综述的基础之上，对各种ZnO纳米棒制备技术加以对比，引出本文采用的两步法技术的优势，通过分析对比两步法中不同制备籽晶层的方法，指出磁控溅射制备籽晶层的可行性和巨大的优势。 第二章主要介绍了ZnO的基本性质和本文实验中所用到的制备方法和表征。ZnO材料和ZnO纳米棒的性质，包括基本性质、本征缺陷、纳米棒溶液反应过程、光学性质和基于纳米棒的器件。然后对本文用到的制备方法和仪器做以介绍。最后对实验中用到的表征和分析手段的基本原理和常用知识加以介绍。为下文制备纳米棒和分析做了铺垫。 第三章采用先在衬底上制备一层均匀的ZnO籽晶层、然后放置到合适的水溶液中制备得到空间取向高度一致的ZnO纳米棒阵列。FESEM和XRD表征证明纳米棒沿c轴择优生长。HRTEM和选取电子衍射都表明ZnO纳米棒优异的结晶质量。PL表明纳米棒具有强的紫外发光和非常弱的可见光区发光。在纳米棒生长初期先生长出新的晶核，然后在晶核的基础上沿着(0001)方向生长，整个生长过程是准平衡态生长。讨论了竖直生长放置衬底时可能的生长机制。在生长过程中，纳米棒的直径和长度随着生长时间和浓度的增加而增加，且长度与浓度呈线性关系增加；直径和长度随着生长时间的增加而增加，但增加速度减慢。最后分析了衬底放置方式对生长纳米棒的影响，指出竖直放置衬底不但可以得到垂直于衬底的纳米棒，而且容易清洗，比水平放置更适合于器件应用。第四章研究了不同温度、气氛下退火对ZnO纳米棒PL谱的影响，探讨了不同退火温度段下紫外发光强度变化和可见光区发光强度与峰位发生变化以及紫外发光的原因。结果表明，橘红光和绿光分别由氧填隙和氧空位造成。在空气中退火，最佳退火温度为400℃，低于400℃时，紫外发光强度随着退火温度增加而增加，这是由于随着退火温度的升高，H<,2>O，O-H和N-H不断蒸发裂解造成，而且N-H对发光影响非常大。在高于400℃时，紫外发光强度随着退火温度增加而减弱是由于形成不同的本征缺陷。但是，在不生成本征缺陷的情况下，紫外发光强度随着退火温度升高而增强，表明结晶质量不断变好。室温下ZnO纳米棒紫外发光峰是由自由激子和其声子伴线共同贡献的结果，PL谱中视觉最大值并不是FX-1LO峰，但是FX-1LO在其中比例最大，FX-1LO的峰位在3.263eV。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1纳米材料及纳米技术的应用

1.2 ZnO纳米棒制备技术

1.2.1 ZnO纳米棒制备技术

1.2.2两步法制备ZnO纳米棒技术

1.3我们采用的实验方法和本文安排

1.3.1我们采用的实验方法

1.3.2本文安排

1.4小结

参考文献

第二章ZnO的基本性质和表征手段

2.1 ZnO及其纳米棒的性质

2.1.1 ZnO的基本性质

2.1.2 ZnO中的本征缺陷

2.1.3 ZnO纳米棒的生长

2.1.4 ZnO的光学性质

2.1.5基于ZnO纳米棒的器件

2.2磁控溅射制备ZnO薄膜和水浴法制备ZnO纳米棒

2.2.1磁控溅射制备ZnO薄膜

2.2.2液相法制备ZnO纳米棒阵列

2.3 ZnO薄膜和纳米棒阵列的分析手段

2.3.1原子力显微镜(AFM)

2.3.2扫描电子显微镜(SEM)

2.3.3 X射线衍射仪(XRD)

2.3.4光致发光PL谱

2.3.5高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和选区电子衍射

2.3.6红外吸收光谱(IR)

2.3.7热重分析

2.4小结

参考文献

第三章两步法制备空间取向高度一致的ZnO纳米棒阵列及其生长机制研究

3.1引言

3.2两步法制备ZnO纳米棒阵列

3.2.1磁控溅射制备ZnO籽晶层

3.2.2 ZnO纳米棒阵列的制备

3.3籽晶层和ZnO纳米棒阵列的表征

3.3.1表征方法

3.3.2籽晶层和纳米棒的结构性质

3.3.2籽晶层和纳米棒的光致发光特性

3.4两步法制备ZnO纳米棒的生长机制

3.5两步法工艺中影响ZnO纳米棒生长的因素

3.5.1生长时间

3.5.2浓度

3.5.3放置方式

3.6小结

参考文献

第四章ZnO纳米棒阵列光致发光特性研究

4.1引言

4.2样品和分析方法

4.3光学性质的研究

4.3.1空气中不同退火温度下PL谱

4.3.2可见光区发光原因

4.3.3紫外发光的变化

4.3.4没有本征缺陷形成情况下的退火对比

4.4紫外发光原因

4.5结论

参考文献

总结

攻读硕士期间发表的论文

致谢