Al、N共摻雜ZnO納米棒的水熱法制備及性能研究.pdf

1、ZnO是直接寬帶隙半導(dǎo)體，成本較低，資源豐富，無污染。通過元素摻雜改變ZnO的能帶結(jié)構(gòu)，獲得P型ZnO和本征ZnO半導(dǎo)體，仍是ZnO在光電領(lǐng)域如光伏電池等的研究熱點之一。
　　論文基于第一性原理采用CASTEP模塊的GGA近似方法，計算了純ZnO、Al摻雜、N摻雜和Al-N共摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果顯示，當Al濃度或N濃度增加，ZnO:Al和ZnO:N的帶隙值均減小；隨著N/Al比增加，Al-N共摻雜ZnO（ANZO）的帶隙

2、值增大。純ZnO的價帶頂和導(dǎo)帶底分別由O2p和Zn4s電子態(tài)占據(jù)。ZnO:Al的導(dǎo)帶底由Zn4s和Al3p電子態(tài)決定，當Al濃度增加，Al3p電子態(tài)向禁帶低能區(qū)域移動導(dǎo)致帶隙值減小。ZnO:N的價帶頂由N2p電子態(tài)決定，可實現(xiàn)p型ZnO，但N2p電子態(tài)的局域化特性使空穴被束縛在EF附近，是N在ZnO中溶解度低和穩(wěn)定性差的原因。而在ANZO中，N2p與Al3p電子態(tài)間的吸引勢較強，克服了受主間的排斥勢，削弱了N2p電子態(tài)的局域化，可提高N

3、的溶解度和摻雜的穩(wěn)定性。
　　論文采用水熱法制備了摻雜ZnO的納米棒陣列，并對其形貌、結(jié)構(gòu)和光學(xué)、電學(xué)性能進行了表征。ZnO納米棒的實驗結(jié)果顯示，ZnO種子層有利于ZnO納米棒的成核以及引導(dǎo)納米棒沿c軸垂直生長。當水熱反應(yīng)溫度低于95℃生長時，不容易得到小尺寸的納米棒(直徑一般大于1μm)，高于95℃得到的納米棒長徑比更大，陣列的均勻性更好。當水熱反應(yīng)時間低于8h時，納米棒的長度和直徑的比例一般低于5，而高于8h生長時則大于5。在

4、此基礎(chǔ)上，我們研究了三種不同的水熱工藝制備Al-N共摻雜的ZnO納米棒陣列，第一種為采用ZnO種子層上的單步水熱工藝；第二種為采用 ZnO種子層的兩步水熱工藝；第三種為采用 AZO種子層的兩步水熱工藝。三種工藝得到的ANZO納米棒陣列均為（002）擇優(yōu)取向，且在可見光范圍的吸收明顯比未摻雜的氧化鋅增強，N/Al比越大，樣品對光的吸收越強，N/Al比為4.6時光學(xué)帶隙為2.88eV。最后，我們采用介電電泳技術(shù)將納米棒裝配在金屬微電極之間對