ZnO和Mg(OH)2薄膜的電沉積制備、表征及沉積機理研究.pdf

1、纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO薄膜由于具有寬的直接帶隙、高激子結(jié)合能和壓電等性質(zhì)，在光學(xué)、電子和能源領(lǐng)域用途廣泛。Mg(OH)2薄膜的高透過率和高電阻率等特性使其在光學(xué)器件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。具備低成本、高可控性和適合大面積生產(chǎn)等優(yōu)點的電沉積法已成為制備高質(zhì)量薄膜和納米結(jié)構(gòu)材料的有效方法。當(dāng)前，ZnO和Mg(OH)2薄膜的電沉積制備中，若干涉及體系電化學(xué)行為、薄膜生長機理及微觀結(jié)構(gòu)的重要問題尚不明晰，亟待深入研究。
　　本文借鑒前人相關(guān)研

2、究方法和成果，并結(jié)合電化學(xué)、晶體學(xué)、表面科學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)理論和方法，對ZnO和Mg(OH)2薄膜的電沉積制備與表征等相關(guān)問題進行了研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)考察了SnO2電極在Zn(NO3)2水溶液中的電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)溶液溫度、Zn2+濃度、初始溶液pH值對體系電化學(xué)行為有顯著影響，并確定了相關(guān)動力學(xué)參數(shù)。以SnO2電極為基底，在Zn(NO3)2溶液體系進行了ZnO的電沉積制備，發(fā)現(xiàn)溶液溫度、沉積電勢、Zn2+濃度

3、對所制備ZnO薄膜結(jié)構(gòu)有顯著影響。在較小陰極電勢下生成的顆粒狀ZnO的長徑比為0.5左右，HRTEM和SAED均表明ZnO為六方相單晶結(jié)構(gòu);而在較大的陰極電勢下發(fā)生劇烈析氫反應(yīng)，導(dǎo)致多孔ZnO薄膜的生成。
　　(2)研究了低溫下進行ZnO電沉積時的鈍化現(xiàn)象及其發(fā)生機理，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致鈍化的主要原因是電極表面的OH-濃度不足，而非相關(guān)文獻中所報道的溫度過低。以界面pH值為核心參數(shù)，基于半導(dǎo)體氧化物電極/電解液界面的物理化學(xué)特性及PZC相關(guān)

4、理論，建立了原子尺度的生長模型，并提出了鈍化機理。根據(jù)此機理，鈍化現(xiàn)象只能在界面pH值介于6.6到9.3之間的情況下發(fā)生，從微觀上看，界面pH值的不足導(dǎo)致生成大量-Zn-O-H結(jié)構(gòu)，從宏觀上看，則是生成了ZnOx(OH)y或非晶態(tài)的Zn(OH)2。
　　(3)采用恒電勢沉積法制備了多孔Mg(OH)2薄膜，并系統(tǒng)表征了薄膜的形貌、物相、光學(xué)性質(zhì)及分子結(jié)構(gòu)。通過電子選區(qū)衍射(SAED)觀測了初始薄膜及其原位脫水反應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)并確認了電

5、沉積制備出的多孔Mg(OH)2薄膜中包含(011)單晶納米薄片。構(gòu)造了12×12×2超晶胞，發(fā)現(xiàn)薄膜中的納米薄片對應(yīng)二面角為120°的{011}晶面族，即多孔Mg(OH)2薄膜的生長面為{011}晶面族。揭示了薄膜生長機制的四個過程:水化、形核、單晶納米薄片交錯生長并連接，以及最終形成連續(xù)的多孔結(jié)構(gòu)薄膜。
　　(4)從晶體結(jié)構(gòu)、表面能及離子水化的角度探討了不同條件下生成的不同形貌Mg(OH)2薄膜的機理，發(fā)現(xiàn)調(diào)整OH-濃度將改變?nèi)?/p>