ZnO納米棒陣列薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理與摻雜性能研究.pdf

1、一維ZnO納米棒是具有良好的光學(xué)、氣敏、壓電特性的寬禁帶半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于紫外激光器、氣體傳感器、納米發(fā)電機(jī)、場(chǎng)效應(yīng)管及太陽能電池等領(lǐng)域。尤其是在染料敏化太陽能電池(DSSC)及量子點(diǎn)敏化太陽能電池(QSSC)應(yīng)用中，一維ZnO納米棒薄膜具有良好的快電子傳輸和較大的比表面積用來吸附吸光材料，可大幅提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率。目前，水熱法是制備ZnO納米棒薄膜最簡(jiǎn)單最低成本的方式之一，但較難獲得超長(zhǎng)的ZnO納米棒，因此，優(yōu)化水熱生長(zhǎng)工藝，

2、合成超長(zhǎng)的ZnO納米棒陣列薄膜，對(duì)于第三代太陽能電池的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，低溫水熱法制備ZnO納米棒具有較高的缺陷濃度，嚴(yán)重影響了ZnO納米棒的光電性能，限制了ZnO納米棒的器件應(yīng)用。在自然條件下，水熱法制備的ZnO多為N型導(dǎo)電的，進(jìn)而使得ZnO的N型摻雜比較容易實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于ZnO的P型摻雜，由于ZnO自身本征施主缺陷的影響及非故意摻雜的H的補(bǔ)償作用，一直是一個(gè)國際性難題。本文從水熱法生長(zhǎng)ZnO納米棒機(jī)理入手，探索提高ZnO納

3、米棒長(zhǎng)徑比及結(jié)晶質(zhì)量的最佳生長(zhǎng)工藝。探索水熱法制備穩(wěn)定P型摻雜的ZnO納米棒。
　　 本文的主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 1、水熱法生長(zhǎng)ZnO納米棒陣列薄膜的機(jī)理研究
　　 研究分析Zn(NO3)2-HMT-PEI體系生長(zhǎng)溶液的變色及ZnO納米棒生長(zhǎng)機(jī)理，結(jié)果表明:六次甲基四胺(HMT)高溫分解出的甲醛(HCHO)能與聚乙烯亞胺(PEI)發(fā)生Mannich反應(yīng)生成席夫堿化合物是溶液由無色變?yōu)榧t色的原因。通過該

4、反應(yīng)，使得PEI分子中具有強(qiáng)絡(luò)合能力的伯胺(-NH2)轉(zhuǎn)變?yōu)槿踅j(luò)合能力的亞胺(C=N)，降低了PEI的螯合能力，迫使原被PEI穩(wěn)定螯合的Zn2+重新釋放出來，是水熱法生長(zhǎng)ZnO納米棒的關(guān)鍵。
　　 2、超長(zhǎng)ZnO納米棒陣列薄膜生長(zhǎng)及結(jié)晶質(zhì)量的提高
　　 實(shí)驗(yàn)研究生長(zhǎng)溫度、升溫制度、溶液成分對(duì)ZnO納米棒形貌及性能的影響，結(jié)果表明:提高水熱生長(zhǎng)溫度，有利于ZnO光致發(fā)光性能的增強(qiáng)，但ZnO納米棒長(zhǎng)度會(huì)明顯降低，不利于生長(zhǎng)超

5、長(zhǎng)的ZnO納米棒陣列薄膜;采用階梯升溫工藝要比采用單獨(dú)的恒溫工藝生長(zhǎng)的ZnO納米棒的長(zhǎng)度更長(zhǎng);通過優(yōu)化生長(zhǎng)溶液的成分配比，獲得最佳的生長(zhǎng)溶液的配方為0.05 mol/L Zn(NO3)2、0.06 mol/L HMT和0.003 mol/L PEI，整體稀釋該溶液，ZnO納米棒的直徑和長(zhǎng)度都減小;反之，ZnO納米棒的直徑變粗，且長(zhǎng)度變短;而只改變HMT的濃度時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)相似的現(xiàn)象;采用最佳溶液配方，通過3階梯升溫過程成功在FTO和AZO

6、襯底上都制備出了40μm超長(zhǎng)的ZnO納米棒陣列薄膜，是目前水熱法生長(zhǎng)最大長(zhǎng)度。同時(shí)，該方法獲得的ZnO納米棒具有良好的光致發(fā)光性能。
　　 3、水熱法生長(zhǎng)K摻雜ZnO薄膜的性能研究
　　 利用水熱法在含有0.03 mol/L Zn(Ac)2、0.05 mol/L HMT和0.07 mol/L KAc的生長(zhǎng)溶液中，在95℃條件下，制備K摻雜的ZnO薄膜，并利用電化學(xué)阻抗法研究其電學(xué)性能。能譜分析結(jié)果表明該方法成功獲得了K摻