ZnO納米結(jié)構(gòu)形態(tài)調(diào)控與表面光電性能研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體功能材料，室溫下能帶帶隙為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60 meV，遠(yuǎn)高于其它寬禁帶半導(dǎo)體材料(如：GaN為25 meV，ZnSe為22 meV)的激子束縛能，是室溫?zé)崮艿?.3倍(26 meV)，因此ZnO中的激子能夠在室溫下穩(wěn)定存在，另外由激子-激子散射誘發(fā)的受激輻射的閾值要比電子-空穴等離子體復(fù)合的受激輻射閾值低，ZnO有望用于在短波長(zhǎng)發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、紫外探測(cè)器、太陽(yáng)能電池、高頻和

2、大功率器件。另外，ZnO還具有制備工藝簡(jiǎn)單，能帶及導(dǎo)電類型易調(diào)控和無(wú)毒無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。 ZnO由于其晶體具有極性特征，導(dǎo)致了其豐富的納米形態(tài)，諸如納米線(棒)、納米管、納米帶、納米片、納米環(huán)、納米花、納米螺旋結(jié)構(gòu)等，不同的結(jié)構(gòu)各有其特定的用途，使得ZnO的形貌和結(jié)構(gòu)控制具有重要意義。ZnO與硫能產(chǎn)生強(qiáng)的相互作用，可以作為硫的吸附劑使用。本研究將含硫化合物應(yīng)用到ZnO的制備過(guò)程中，不僅在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)ZnO的形核、生長(zhǎng)和形貌的控

3、制，而且獲得了一些新型的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)有針對(duì)性地對(duì)有關(guān)體系的熒光發(fā)射性能、表面光電壓和光電流性能和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理進(jìn)行了研究，內(nèi)容包括以下幾方面： (一)、以十二烷基硫醇為代表研究了直鏈硫醇(C<,n>H<,2n+1>SH，n=5，6，8，10，12)在硝酸鋅．六次甲基四胺水熱合成ZnO過(guò)程中對(duì)形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，用X-射線衍射、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡、熒光光譜等技術(shù)對(duì)得到的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的表征。實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明：在反應(yīng)過(guò)程

4、中反應(yīng)體系分為兩相，硫醇相和水溶液相。ZnO在水相中成核，與水相中溶解的十二烷基硫醇作用后因疏水作用而被萃取到硫醇相中，進(jìn)而使ZnO的生長(zhǎng)停止。通過(guò)高溫?zé)Y(jié)硫醇相中的ZnO前驅(qū)體，可以得到ZnO的納米顆粒。減小硫醇的烷基鏈的長(zhǎng)度，反應(yīng)現(xiàn)象與采用十二烷基硫醇基本一致，但硫醇的疏水性降低，在水相中的溶解度增大，導(dǎo)致萃取過(guò)程變慢。采用戊硫醇時(shí)體系不再分相，反應(yīng)得到了一種類八面體形的特殊結(jié)構(gòu)單元。這是第一次在實(shí)驗(yàn)上捕獲到八面體的ZnO結(jié)構(gòu)單元的

5、實(shí)例，對(duì)ZnO形貌的生成與演化的研究具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，本文研究了十二烷基硫醇對(duì)鋅箔．甲酰胺反應(yīng)體系的影響，發(fā)現(xiàn)在硫醇作用下，鋅箔表面通過(guò)自組裝的方式得到ZnO的納米片狀和鳥(niǎo)巢狀納米結(jié)構(gòu)。高分辨電鏡顯示ZnO納米片的表面由很多不同晶面的納米顆粒組成。 (二)、在水熱合成條件下，利用硫代硫酸鈉與鋅箔反應(yīng)，得到了硫摻雜的多孔弧形ZnO-S納米線，納米線的長(zhǎng)度可達(dá)微米級(jí)。通過(guò)二次生長(zhǎng)，硫代硫酸鈉溶液將ZnO納米棒陣列轉(zhuǎn)變成了Zn

6、O納米葉陣列。通過(guò)改變鋅源和反應(yīng)條件，在較低溫度下(65℃)得到了纖鋅礦型的ZnS納米顆粒，這是目前報(bào)道的在常壓下得到纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnS的最低溫度。在同樣的反應(yīng)體系中，通過(guò)改變反應(yīng)條件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnS納米顆粒的尺寸和晶相控制。通過(guò)表面光電壓譜與相位的關(guān)系，判定納米ZnS的導(dǎo)電類型為n-型；采用表面光電流譜與場(chǎng)誘導(dǎo)表面光電壓譜相結(jié)合的研究手段，建立了光電流與場(chǎng)誘導(dǎo)表面光電壓之間的內(nèi)在聯(lián)系。 (三)、通過(guò)將巰基功能化的苝酰亞胺與ZnO原位組裝

7、，制備了苝酰亞胺/ZnO有序復(fù)合體系。表面光電壓譜研究表明，復(fù)合體系可以顯著提高載流子的分離效率，光伏響應(yīng)呈數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。復(fù)合體系的熒光光譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)苝酰亞胺的熒光顯著淬滅，證明發(fā)生了從苝酰亞胺到ZnO的光致電荷轉(zhuǎn)移。電子結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明ZnO與巰基苝酰亞胺之間的能級(jí)匹配，有利于實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。 (四)、通過(guò)AAO模板制備了含ZnO相的鋅鋁水滑石，研究了模板孔徑對(duì)水滑石形貌的影響。對(duì)得到的水滑石退火前后的表面浸潤(rùn)性進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)接