氧化鋅納米結構宏觀體的制備及應用.pdf

1、ZnO是重要的直接寬帶隙半導體(室溫下禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV)，在電子和發(fā)光器件上有著巨大的應用潛力。而ZnO納米結構則表現出與體材料明顯不同的化學和物理性質，是目前納米材料的研究熱點之一。受宏觀碳納米管的啟發(fā)，本論文介紹了所制備出的具有宏觀尺度的各種不同形貌ZnO納米結構，并對它們在光學、傳感器以及激光等方面進行了探索性的研究和應用。本論文的主要結論如下： 1.利用傳統(tǒng)的熱蒸發(fā)法在金屬催化的情況下實現了

2、ZnO納米結構的宏觀化。這種晶體生長的熱蒸發(fā)方法不僅制備工藝簡單，成本低廉，而且具有很好的重復性。在試驗中，我們除了合成了超長的ZnO納米梳，還首次制備出了超長的ZnO納米桿、納米帶，盡管它們的直徑和厚度只有幾百個納米，但在長度上達到了毫米甚至厘米量級；同時我們制備的分形的ZnO宏觀結構，則由大量的納米桿自組裝生成，具有極大的表面比，目前國際上還沒有這一獨特結構相關的報道。該宏觀化ZnO納米結構一方面具有納米材料的特性，另一方面又具有宏

3、觀化的形貌，避免了使用復雜的微操作(諸如使用原子力顯微鏡、電子掃描電鏡)可控性差的缺點，使其易于和傳統(tǒng)工藝相結合，實現在光電子器件方面的應用。另外我們利用能量彌散光譜、電子掃描電鏡和透射電子電鏡分別對這些不同形貌的宏觀化ZnO納米材料的形貌、結構和組成進行研究，并分析了不同形貌的宏觀化ZnO的生長機理。我們發(fā)現Cu和CuO在ZnO納米材料的生長過程中的由納米尺寸到宏觀尺寸之間的變化起了重要作用。 2.根據分形的ZnO宏觀結構體具

4、有極大的表面比這一特點，我們制成了相關的電阻式氣體傳感器和濕度傳感器。通過對相同濃度的不同氣體(氫氣、氨氣、硫化氫和二氧化氮氣體)進行測試研究，發(fā)現該氣體傳感器對硫化氫氣體的反應非常敏感：其電阻變化最大。我們又從理論上分析了該傳感器具有如此良好敏感性的原因。另外，我們在對分形ZnO羽毛狀宏觀結構的濕度傳感器進行測試時發(fā)現，該濕度傳感器的靈敏度針對不同濕度的變化，顯示出了較好的線性度。在高濕度時，線性化趨勢呈現了輕微波動，我們討論了高濕度

5、時出現這種飽和情況的原因。 3.根據金屬半導體之間存在肖特基接觸這一理論，我們利用具有大尺寸直徑的單根超長ZnO納米桿和金屬銀成功制成了肖特基二極管。通過對該二極管電流一電壓(Ⅰ-Ⅴ)的研究，發(fā)現該工藝解決了以往制備ZnO肖特基二極管時大直徑的納米帶和納米線與金屬電極存在不良接觸的問題。測試結果顯示該二極管具有較好的整流特性。另外，我們分別在不同溫度和濃度的NH3的氣氛中對這種ZnO二極管電流電壓曲線進行了測試，發(fā)現該二極管不僅

6、具有良好的熱穩(wěn)定性而且對不同濃度的氨氣有較高的靈敏性。最后我們討論了超長ZnO納米桿與金屬接觸時產生整流現象的機理。 4.基于ZnO材料所具有的獨特光學及電學性質，我們利用ZnO超長納米帶制成了新型的激光器。在對超長ZnO納米帶表面進行氫等離子處理后，通過低壓直流電激勵，我們首次發(fā)現了受激發(fā)光現象。盡管目前對于ZnO粉末和異質結電激勵發(fā)光的研究并不罕見，但這種由n型ZnO單晶經過氫等離子處理后發(fā)射激光的現象在國際上還未有報道。通過測試發(fā)