ZnO纳米结构的制备及其光学性能的研究

发布时间：2017-10-26 18:00

  本文关键词：ZnO纳米结构的制备及其光学性能的研究

  更多相关文章： 氧化锌 纳米结构 热蒸发化学气相沉积 分子束外延 光学性能 生长机理

【摘要】：纳米科学与技术是一个前沿的、交叉性的热门科研方向。目前,纳米科技的理论内容与实验内容不仅涵盖了化学、物理等基础学科,同时也关乎与人类生活息息相关的工程学科以及医药学科。在室温条件下,ZnO禁带宽度和激子结合能分别是3.37eV和60meV,是一种集压电、热电和光电特性于一身的直接带隙半导体材料。研究证实,在光学器件、电学器件、传感器件等方面纳米ZnO有着广阔的发展空间。ZnO纳米材料的合成手段被广泛报道,我们所主要采用的两种方法为热蒸发化学气相沉积法和MBE法。其中,热蒸发化学气相沉积法是一种被广泛用于制备纳米结构的气相沉积法；MBE法是一种具有高清洁度、可精确控制的气相沉积法。本论文主要介绍了利用以上两种方法制备ZnO纳米结构的实验方法,以及制备出的ZnO纳米结构的光学性能与生长机理。主要的研究成果总结如下：1.在近大气环境下,利用热蒸发锌粉的方法制备出球棒状氧化锌纳米结构。SEM结果表明纳米棒由六边棒头、均匀变化的瓶颈和细把手构成,球棒棒头的直径约为1-2微米,球棒把手的直径约为100-300纳米,纳米球棒的总长约为几个微米。SAED和HRTEM结果表明,氧化锌球棒沿c轴,即[0001]方向生长。室温条件下在383nm近紫外光波段有很强的光致发光峰,该峰是伴随激子复合过程而发生的宽带隙带边发射,属于本征发射峰,说明制备的ZnO纳米球棒缺陷很少,具有较好的结晶质量和光学性能。根据对HRTEM结果的讨论,我们提出纳米球棒的生长分为动力学控制部分、亚稳态部分和热力学平衡部分,这三个部分能够合理的解释纳米球棒的形成过程。关于枝状聚集体纳米结构,我们认为是由多晶晶核成核和纳米棒辐射状生长两个过程形成的。2.基于气一液一固(VLS)生长机理,在氧等离子体辅助的分子束外延系统中,在分别覆盖有1nm厚的Zn和Au催化剂的Sj(111)基片上沉积生长了ZnO纳米薄膜和纳米线。FE-SEM结果表明, ZnO纳米薄膜的致密程度和颗粒尺寸与基片温度和生长时间密切相关：ZnO纳米线有序、规整、稠密的分布在基片上,其直径约为30nm,长度约为140nm。X射线衍射结果表明,ZnO纳米薄膜和纳米线结晶性较好,沿着[0001]c轴方向择优取向生长。ZnO纳米薄膜和纳米线的生长依照VLS生长机理,本文合理的解释了纳米线的生长过程。
【关键词】：氧化锌 纳米结构 热蒸发化学气相沉积 分子束外延 光学性能 生长机理
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 引言10-12
• 1.2 ZnO纳米材料的性质与研究热点12-16
• 1.2.1 ZnO材料的基本性质12-13
• 1.2.2 ZnO纳米材料的重要性能13-15
• 1.2.3 ZnO纳米材料的研究热点领域15-16
• 1.3 ZnO纳米材料的制备方法和生长机理16-20
• 1.3.1 ZnO纳米材料的制备方法16-18
• 1.3.2 ZnO纳米材料的生长机理研究18-20
• 1.4 选题背景与研究内容20-22
• 1.4.1 选题背景20
• 1.4.2 研究内容和论文结构20-22
• 参考文献22-24
• 第二章 ZnO纳米材料的制备方法与表征方法24-35
• 2.1 概述24
• 2.2 ZnO纳米材料的制备方法24-28
• 2.2.1 仪器设备24-25
• 2.2.2 分子束外延(MBE)的原理及特点25-27
• 2.2.3 实验过程27-28
• 2.3 样品的表征方法介绍28-32
• 2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)28-29
• 2.3.2 X射线衍射(XRD)29-31
• 2.3.3 透射电子显微镜(TEM)31
• 2.3.4 光致发光谱(PL)31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 参考文献33-35
• 第三章 热蒸发化学气相沉积法制备ZnO纳米棒35-46
• 3.1 概述35-36
• 3.2 ZnO纳米棒的制备过程和形貌结构特征36-38
• 3.2.1 ZnO纳米棒的制备过程36
• 3.2.2 ZnO纳米棒的形貌和结构特征36-38
• 3.3 ZnO纳米棒的发光性能38-39
• 3.4 ZnO纳米棒的生长机理39-41
• 3.5 本章小结41-43
• 参考文献43-46
• 第四章 MBE法制备ZnO纳米薄膜及纳米线46-58
• 4.1 概述46-47
• 4.2 MBE法制备ZnO纳米薄膜47-50
• 4.2.1 ZnO纳米薄膜的制备过程47
• 4.2.2 ZnO纳米薄膜的形貌与结构分析47-50
• 4.3 MBE法制备ZnO纳米线50-51
• 4.3.1 ZnO纳米线的制备过程50
• 4.3.2 ZnO纳米线的形貌与结构分析50-51
• 4.4 ZnO纳米薄膜及纳米线的生长机理51-54
• 4.5 本章小结54-55
• 参考文献55-58
• 致谢58-59
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果59

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