氧化鋅與金屬硫化物半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)的制備、表征及應(yīng)用.pdf

1、微納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)與其成分、形狀和尺寸有著密切的關(guān)系。目前，對于微納米材料的可控制備、表征和應(yīng)用研究引起了材料、物理、化學(xué)等領(lǐng)域研究人員的廣泛興趣。由于半導(dǎo)體材料具有獨(dú)特的性能和潛在的應(yīng)用前景，受到了人們廣泛的關(guān)注。本論文主要集中于探索合成半導(dǎo)體微納米材料的新方法和新結(jié)構(gòu)，并對所制備的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)表征、對其生長機(jī)理給予合理解釋；在應(yīng)用方面，對所制備的氧化鋅(ZnO)納米材料的光電轉(zhuǎn)換性能做了初步的研究。
　　 空心球結(jié)

2、構(gòu)由于其特殊的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的性質(zhì)具有許多潛在的應(yīng)用。由于其空心的結(jié)構(gòu)使得空心球能夠應(yīng)用于藥物緩釋。半導(dǎo)體空心球所具有的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積使其在催化、氣體傳感器和Li離子電池等領(lǐng)域顯示出更為優(yōu)越的性能。然而，目前制備空心球結(jié)構(gòu)的方法主要采用模板法，該方法存在著諸如：制備過程復(fù)雜、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。ZnO是一種重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)特性，可潛在地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。因此，我們首先選擇了ZnO空心球作為研究對象。然而，在低

3、溫下直接制備ZnO空心球仍然面臨著重大的挑戰(zhàn)。其困難主要存在于：由于ZnO晶體每個(gè)晶向的生長速度不同，在沒有模板的輔助下，球形的ZnO結(jié)構(gòu)并不容易獲得。我們成功地利用了高濃度的檸檬酸三鈉來控制ZnO晶體的成核和生長速度實(shí)現(xiàn)了球形核/殼結(jié)構(gòu)的制備。接著通過在堿性溶液中去核來實(shí)現(xiàn)空心球的制備。與傳統(tǒng)的ZnO空心球的制備方法相比，該方法具有制備過程簡單、所需溫度低、不需要球形的模板等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們通過一系列對比實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究了形成Zn

4、O空心球的可能機(jī)制和實(shí)驗(yàn)中所用各種反應(yīng)物的作用。我們通過拉曼和光致發(fā)光光譜研究了退火后ZnO空心球的光學(xué)性質(zhì)。拉曼結(jié)果表明所制備的空心球結(jié)構(gòu)具有較好的結(jié)晶質(zhì)量。常溫光致發(fā)光光譜表明ZnO空心球具有很強(qiáng)的紫外光發(fā)射。
　　 雖然我們發(fā)展了一種無模板的方法來實(shí)現(xiàn)ZnO空心球的制備，但這種方法一般只適合于某一特殊的材料，不具有通用性。因此，我們又發(fā)展了一種通用的方法來制備金屬硫化物空心球結(jié)構(gòu)。我們成功實(shí)現(xiàn)了ZnS、Ag2S、PbS、C

5、uS、CUES、Bi2S3和Sb2S3空心球的制備。該方法的要點(diǎn)就是利用了ZnS和其它金屬硫化物之間具有較大的溶度積的差別來實(shí)現(xiàn)ZnS空心球向其它金屬硫化物空心球的轉(zhuǎn)化。我們通過紫外-可見光吸收光譜、顯微拉曼光譜和光致發(fā)光光譜對所制備的金屬硫化物空心球的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 雖然我們實(shí)現(xiàn)了ZnO和金屬硫化物半導(dǎo)體空心球結(jié)構(gòu)的制備，然而，前面所制備的空心球的成分比較單一。我們又采用磁性過渡族金屬元素Mn部分替代ZnO中

6、的非磁性元素成功實(shí)現(xiàn)了稀磁半導(dǎo)體空心球的制備。通過一系列的測試手段，證實(shí)了錳離子已經(jīng)成功地?fù)降絑nO晶格中。測量了所制備Mn摻雜ZnO空心球的磁學(xué)性質(zhì)。其結(jié)果表明Mn摻雜ZnO空心球在室溫時(shí)具有鐵磁性。因此，我們在空心球結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了將半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)和磁性材料的特性兩者融合在一起。希望該研究能為摻雜ZnO空心球結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以及今后的深入研究奠定基礎(chǔ)。
　　 ZnO具有兩個(gè)極性的表面和三個(gè)快速的生長方向，利用這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，人們

7、已成功制備了諸如納米線、納米管、納米帶、納米環(huán)等新奇的ZnO納米結(jié)構(gòu)。這些多樣化的結(jié)構(gòu)使得ZnO納米材料在生產(chǎn)生活中具有廣闊的應(yīng)用前景。雖然已取得了這些成就，然而在一些器件應(yīng)用中，可能需要成分更復(fù)雜、集成度更高的納米結(jié)構(gòu)。對于成分復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的制備，我們成功地實(shí)現(xiàn)了多種基于ZnO的核/殼結(jié)構(gòu)的制備(如：ZnO/ZnS、ZnO/Ag2S和ZnO/CuS)。
　　 對于復(fù)雜形貌ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備，我們主要采用了兩種方法：化學(xué)法和熱

8、蒸發(fā)法。對于化學(xué)法，通過在制備ZnO納米線的反應(yīng)溶液中加入氨水，我們實(shí)現(xiàn)了ZnO納米花的制備。雖然該方法具有簡單、低溫等優(yōu)點(diǎn)，但所制備的ZnO納米花的集成度不夠高。因此，我們又采用了兩步熱蒸發(fā)方法，成功制備出了多種可控形貌的分層次ZnO納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單一納米結(jié)構(gòu)的高度集成。實(shí)驗(yàn)中，首先在Si基片上制備出少量被氧化的Zn納米線。然后，在第二步中，把第一步所制備的樣品作為第二步實(shí)驗(yàn)的基片并同時(shí)加熱Zn源來實(shí)現(xiàn)分層次ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備。整

9、個(gè)實(shí)驗(yàn)過程僅僅使用了Zn粉，避免了雜質(zhì)的引入對納米結(jié)構(gòu)的污染。光致發(fā)光譜證實(shí)樣品的光學(xué)性質(zhì)可通過ZnO納米結(jié)構(gòu)的形貌來調(diào)制。
　　 最后，我們對ZnO納米結(jié)構(gòu)在太陽電池中的應(yīng)用做了一些探索性的研究。為了獲得高性能的太陽電池，我們采用具有好的電輸運(yùn)性質(zhì)、高度有序的ZnO納米線作為太陽電池的光電極。實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)在ZnO納米線之間還存在著大量的間隙。因此，我們通過在ZnO納米線的間隙中和納米線的頂端生長ZnO納米小球來提高光電極的