微纳米花形ZnO的水浴法制备及其光学性能研究
ZnO是一种重要的Ⅱ-ⅣV族直接宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能高达60 meV,被认为是一种有广阔应用前景的紫外光发射材料。同时它也是一种多功能氧化物材料,在光电、铁电、压电、热电、铁磁等领域具有优异的特性,可广泛应用于透明电极、压电材料、压敏电阻、声波器件和太阳能电池等诸多领域。
目前,ZnO的研究主要集中在ZnO薄膜、ZnO掺杂及ZnO纳米结构的研究。在纳米结构领域,科研人员已经取得了很大进展,但纳米ZnO器件的应用仍然任重而道远。众所周知,材料的性能取决于材料的结构,而材料的结构又很大程度上取决于制备方法和工艺。因此,对于材料的形貌、尺寸等的可控制备研究,对于纳米ZnO器件的应用是至关重要的前提。
本论文采用简单的水浴法,以硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)、六亚甲基四胺((CH2)6N4)和乙二胺(C2H8N2)为原料,制备了微纳米花形ZnO结构,为研究其生长过程/原理,在不同实验条件(浓度、温度、时间、反应物配比)下制备了不同形貌的ZnO微纳米材料,系统探讨了不同因素对其形貌和结构的影响,并采用光致发光谱和紫外-可见光吸收光谱作为光学性能的表征手段。此外,以普通玻璃片为基底,采用一步水浴法制备出了微纳米花形ZnO阵列及掺S微纳米花形ZnO阵列,研究了掺S对花形ZnO阵列结构、形貌与发光性能的影响。采用X-射线粉末衍射仪(XRD)进行物相分析,场发射扫描电子显微镜(FESEM)透射电镜(TEM,配有选区电子衍射(SAED))观察产物的形貌,荧光光谱仪(激发光源为Xe灯)在室温下测定光致发光(PL)光谱,紫外光谱仪分析样品的紫外-可见光吸收光谱。研究结果表明:
(1)微纳米花形ZnO的花瓣为六角锥形结构,XRD测试表明其为纤锌矿ZnO结构,高分辨透射电镜及选区电子衍射花样表明其为单晶结构,并且沿着从c轴生长,能谱分析表明其由Zn和O元素组成,组成接近1:1,表明其结晶良好。
(2)反应溶液浓度、生长温度、生长时间、反应物配比等对样品形貌的影响较大。随着反应溶液浓度的增大,微纳米花形ZnO的生长速度加快,尺寸增加,结晶致密、晶体质量提高。随着生长温度的降低,晶核易团聚从而导致花瓣聚集;此外温度的降低使反应速率降低,并导致晶粒发育不完全。随着生长时间的延长,初期有助于晶粒的发育和长大,但当时间过长时,容易造成“溶解”现象,使晶体质量下降。乙二胺的选择性吸附提供了二次形核生长点,因此在形成花形ZnO结构中起着决定性的作用,而六亚甲基四胺只是影响花瓣的形貌,吸附在花瓣侧面阻碍其生长,使花瓣更为“修长”。
(3)微纳米花形ZnO的PL谱中有两个特征发光峰,分别是365 nm处的窄的紫外发射峰及406 nm左右宽的紫外-紫光发光峰。不同反应条件(反应溶液浓度、生长温度、反应物配比)对光致发光性能亦有影响。
(4)掺S微纳米花形ZnO阵列较未掺微纳米花形ZnO阵列的均匀性和取向性得到了提高,但表面变得粗糙,此外,掺S后产物的PL光谱的UV发射峰减弱且出现了较强的绿光发射峰。
微纳米花形;氧化锌;水浴法制备;光致发光;掺杂效应;光学性能
中国海洋大学
硕士
材料学
尹衍升
2011
中文
TN304.21;TB383
72
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）