低維半導(dǎo)體材料的合成及新能源器件應(yīng)用研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)領(lǐng)域的不斷突破與革新，低維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)材料因為其獨特的微觀結(jié)構(gòu)以及優(yōu)越的電子傳輸能力使得其在各類新型器件中的表現(xiàn)異常突出，其中的新能源器件更是被熱點關(guān)注的問題。本文系統(tǒng)研究了幾種具代表性的半導(dǎo)體材料合成方法以及其在新能源器件方面的制備與應(yīng)用，根據(jù)材料的不同微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)將其分別應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管、鋰離子電池、染料敏化太陽能電池及超級電容器，并均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，此外還研究了其在柔性器件領(lǐng)域的應(yīng)用。文中的主要研究結(jié)果歸納如下

2、。
　　采用化學(xué)氣相沉積法合成了多種形貌結(jié)構(gòu)各異的低維硫化銦納米結(jié)構(gòu)以及硒化鎵納米線，表征分析結(jié)果表明硒化鎵納米線具有較大的長徑比且產(chǎn)量豐富，非常適合進(jìn)行基于單根納米線的場效應(yīng)晶體管制備。通過光刻等工藝流程成功制備了基于硅/二氧化硅基底的背柵結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管器件，根據(jù)電學(xué)性質(zhì)測試的結(jié)果可知，基于硒化鎵納米線的場效應(yīng)管表現(xiàn)出了典型的p型半導(dǎo)體特性，在硒化鎵納米線與溝道的接觸界面產(chǎn)生了肖特基勢壘，導(dǎo)致接觸界面有較大的接觸電阻，而且測試過程

3、中環(huán)境的細(xì)微變化都對測試結(jié)果有著巨大的負(fù)面影響。以上結(jié)果都為硫化銦和硒化鎵的低維結(jié)構(gòu)合成研究及其電子器件應(yīng)用提供了一定參考價值。
　　以碳布為基底采用重復(fù)反應(yīng)的水熱法得到了新型編織狀結(jié)構(gòu)氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，將其在400℃高溫煅燒2 h，所得到的包含碳布基底的氧化鋅納米材料作為鋰離子電池的負(fù)極材料，成功制備了鋰離子電池并進(jìn)行了封裝。表征結(jié)果證明了煅燒前后產(chǎn)物的純凈性和一致性，對鋰電池的重復(fù)充放電和循環(huán)性能測試結(jié)果表明鋰離子電池具備良好的

4、可逆性，0.5 mV/s掃速下首次放電容量為1450 mAh g-1，高于氧化鋅的理論比容量978 mAh g-1，首次充電容量為1067 mAh g-1，十圈過后比容量趨于穩(wěn)定并保持在600 mAh g-1上下，直至130圈仍未有大的降落，整個循環(huán)過程中的庫倫效率都穩(wěn)定在100％左右，在0℃~60℃范圍內(nèi)都能保持很好的循環(huán)穩(wěn)定性，而且在90%的高濕度條件下仍然具有良好的穩(wěn)定性。
　　將編織狀氧化鋅納米在800℃高溫下煅燒5 h去

5、除碳布基底，得到了空心編制狀氧化鋅納米結(jié)構(gòu)薄膜，該氧化鋅材料仍然保持了編織狀的結(jié)構(gòu)具備布的柔韌性，以此作為染料敏化太陽能電池的光陽極材料，表征結(jié)果表明煅燒后的碳布已成功去除，所制備的染料敏化太陽能電池測試結(jié)果表明，經(jīng)過四氯化鈦處理的太陽能電池的光轉(zhuǎn)化效率為0.38%，相比于未經(jīng)四氯化鈦處理過的其短路電流密度、填充因子以及開路電壓上均有明顯提高；可見光最佳響應(yīng)區(qū)域為450~600 nm，此區(qū)間內(nèi)經(jīng)四氯化鈦處理過的轉(zhuǎn)換效率峰值高達(dá)1.2%，

6、相較未處理過的提升了20%左右；而經(jīng)過四氯化鈦處理后的壽命為162 ms，其電池壽命有了質(zhì)的飛躍，充分說明了四氯化鈦對光陽極有著顯著的優(yōu)化效果。
　　以先前水熱法得到的氧化鋅/碳布為模板，將其在硝酸鎳溶液中浸泡后煅燒再在KOH溶液中浸泡，成功去除了氧化鋅模板，得到層狀氧化鎳/碳布納米結(jié)構(gòu)的材料，將其作為電極材料制備超級電容器，表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)煅燒后的氧化鎳層狀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了的許多微空洞結(jié)構(gòu)，使得材料的比表面積大大增加，為電容器性能的提升

7、提供了有力保證。制備的液態(tài)超級電容器以電解液為3 M KOH溶液，表現(xiàn)出來明顯的贗電容效應(yīng)，可逆性與穩(wěn)定性都很好，在1 mA/cm2的電流密度下的比容量為842 mF/cm2，測試數(shù)據(jù)也證明了去除氧化鋅材料的必要性。制備的柔性固態(tài)超級電容器以 PVA-KOH為電解質(zhì)，表現(xiàn)出明顯的雙層電容特性，同樣具備良好的穩(wěn)定性和可逆性，在電流密度為0.1 mA/cm2下的比容量為20 mF/cm2，而且在不同彎曲角度甚至扭曲的情況下仍然維持了一貫的高