基于ZnO納米棒的核-殼納米異質(zhì)陣列的制備和光學(xué)特性.pdf

1、作為第三代半導(dǎo)體的突出代表，氧化鋅(ZnO)由于其優(yōu)異的綜合性能、良好的穩(wěn)定性以及便于制備等特點(diǎn)而在光學(xué)、電子學(xué)、磁學(xué)、電化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。室溫下ZnO的直接帶隙為3.37 eV，激子束縛能高達(dá)60 meV，是一種高效的短波長光電子材料，可用于短波長光發(fā)射和光探測器件的制作，并有望實(shí)現(xiàn)室溫或高溫受激輻射。ZnO良好的電子傳輸特性使得它在光伏和光催化領(lǐng)域應(yīng)用前景也十分看好。ZnO還可以形成多種納米結(jié)構(gòu)，包括一維的納米棒以及排列

2、整齊的納米棒陣列。這些ZnO納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)又有異于ZnO體材料，并易于通過表面修飾和覆蓋涂層構(gòu)成復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，如核/殼納米結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)性質(zhì)的調(diào)控。本論文的研究對(duì)象為一維的ZnO納米棒陣列和以此為基礎(chǔ)的ZnO/ZnSe和ZnO/CdS一維核/殼納米異質(zhì)陣列。在成功制備樣品的基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)研究了對(duì)光伏和光催化應(yīng)用有重要意義的光學(xué)性質(zhì)，并就光伏應(yīng)用作了一些初步嘗試。
　　采用脈沖激光沉積(PLD)和水熱反應(yīng)相結(jié)合的方法制備了Zn

3、O納米棒陣列，研究了ZnO納米棒陣列的發(fā)光性質(zhì)。用電子回旋共振(ECR)等離子體輔助脈沖激光沉積(ECR-PLD)方法在特定襯底上沉積ZnO薄膜，經(jīng)退火處理后作為籽晶層，用以誘導(dǎo)ZnO納米棒的有序生長。通過制備條件的篩選和優(yōu)化，制備得到了較理想的ZnO納米棒陣列，棒的平均直徑約50 nm，棒長約1μm，且形貌規(guī)則、尺寸均勻、排列整齊，為c軸擇優(yōu)取向、結(jié)晶良好的六角鉛鋅礦結(jié)構(gòu)。制備的ZnO納米棒陣列具有良好的紫外發(fā)光性能，并根據(jù)溫度演變探

4、討了與發(fā)光相關(guān)的內(nèi)部機(jī)制。
　　通過在ZnO納米棒外表涂覆ZnSe薄層制備了以ZnO為核芯、ZnSe為殼層的核/殼納米異質(zhì)陣列，重點(diǎn)研究了ZnSe殼層對(duì)于抑制輻射復(fù)合、拓寬光響應(yīng)波段的作用。用脈沖激光沉積方法在用水熱法制備的ZnO納米棒表面沉積ZnSe納米晶薄層，制備得到了ZnO/ZnSe核/殼納米異質(zhì)陣列，其中ZnO核芯為c軸擇優(yōu)取向的六角鉛鋅礦結(jié)構(gòu)，ZnSe殼層為立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)。制備的ZnO/ZnSe核/殼納米異質(zhì)陣列呈現(xiàn)典型

5、的Ⅱ型核/殼結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì):光響應(yīng)波段顯著拓寬，不但顯示相應(yīng)于ZnO和ZnSe帶隙的光吸收邊，還觀察到與ZnO和ZnSe能帶交疊所形成的有效帶隙相應(yīng)的光吸收;ZnO的光發(fā)射被極大地淬滅，反映ZnO中光生載流子的輻射復(fù)合由于ZnO/ZnSe結(jié)構(gòu)的電荷空間分離被有效抑制;不但觀察到與ZnO近帶邊輻射相關(guān)的紫外和與ZnSe近帶輻射相關(guān)的藍(lán)光發(fā)射，還觀察到源自有效帶隙躍遷的可見光。
　　類似地，通過在用水熱法制備的ZnO納米棒表面用脈沖激

6、光沉積CdS納米晶薄層制備了以ZnO為核芯、CdS為殼層的核/殼納米異質(zhì)陣列，ZnO核芯和CdS殼層同為六角鉛鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO/CdS核/殼納米異質(zhì)陣列的光學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出由ZnO和CdS構(gòu)成的Ⅱ型核/殼異質(zhì)材料的特征，不但具有與ZnO和CdS帶隙相應(yīng)的紫外吸收邊和可見吸收邊，還顯示出明顯的由于ZnO和CdS能帶交疊形成的有效帶隙相應(yīng)的光吸收，其光響應(yīng)范圍延伸至遠(yuǎn)低于CdS帶隙的近紅外波段。同樣，ZnO中光生載流子的輻射復(fù)合由于CdS殼層的

7、覆蓋所導(dǎo)致的電子和空穴的空間分離而被有效抑制，致使材料中ZnO納米棒的光發(fā)射被大大淬滅，這些效果還由于ZnO和CdS結(jié)構(gòu)以及ZnO/CdS界面的改善而更加顯著。
　　此外，還開展了對(duì)ZnO納米棒陣列和基于ZnO納米棒的核/殼納米異質(zhì)陣列光伏應(yīng)用的初步嘗試。通過原型聚合物太陽能電池的制作和器件工作特性的測試，考察了ZnO薄膜作為陰極緩沖層對(duì)電池性能的影響。ZnO由于電子遷移率較高，可以有效收集并提取電子、阻擋空穴，因而能夠在一定程度

8、上減少電子和空穴的復(fù)合;作為光學(xué)阻擋層和氧氣隔離層，ZnO緩沖層還具有提高器件穩(wěn)定性與壽命的作用，進(jìn)而提高器件整體的工作性能。為開展納米棒陣列在聚合物電池中的應(yīng)用初探，重點(diǎn)考察了ZnO納米棒陣列、ZnO/ZnSe核/殼納米異質(zhì)陣列或ZnO/CdS核/殼納米異質(zhì)陣列與有機(jī)物P3HT∶PCBM復(fù)合結(jié)構(gòu)的光吸收特性。這三種復(fù)合結(jié)構(gòu)在紫外至近紅外波段都有強(qiáng)烈的光吸收，結(jié)合ZnO/ZnSe和ZnO/CdS核/殼結(jié)構(gòu)良好的電荷空間分離特性，可望利用