基于柔性衬底水热生长ZnO纳米结构及其性能研究

发布时间：2020-11-03 11:53

　　 基于无机半导体纳米材料的柔性光电子器件,以其独特的延展性、高品质性和形状可变性,在电子皮肤、可延展的无机发光二极管、柔性显示器、柔性太阳能电池以及可穿戴电子传感器等领域具有广泛的应用前景,已然成为新一代半导体光电器件的重点研究方向,能够极大地满足社会信息智能化发展和现代生活对高品质光电子产品的需求。ZnO半导体纳米材料拥有较宽带隙、较高激子束缚能、低电阻率、在可见光区光学透过率高、紫外光下产生大量电子-空穴对等一系列的优异物理化学性能,被认为是最有希望替代氧化铟锡(In_2O_3:Sn,ITO)的一种透明导电氧化物,在光电子器件领域表现出巨大的应用潜力,如纳米发电机、紫外光探测器和激光器等。然而,本征ZnO晶体内部可以自由移动的载流子较少,导电性能较差,不能满足高品质ZnO基光电子器件的要求,严重制约了其发展。通常,将容易实现的n型掺杂元素(B,Al,Ge,Si,F等)引入ZnO晶格中来形成杂质半导体,进一步提高ZnO纳米结构的电子-光学性能。柔性电子器件与传统光电子器件最本质的区别在于利用柔性生长基底取代刚性基底。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)虽然在可见光范围内拥有较高的透过率和较大的耐热度,但是直接在单一的PET衬底上制备ZnO纳米结构容易引发晶格失配与热失配等问题,不利于ZnO晶体的生长。ITO或石墨烯(GR)涂覆的PET双层膜(PET–ITO或PET–GR)不仅可以有效地减缓上述问题,还可以发挥缓冲层的作用,增强ZnO纳米结构与衬底的结合,促进界面处电子的传输,为电荷传递提供“快速通道”,是良好的柔性衬底材料。本文先后以PET–ITO和PET–GR作为生长基底,采用离子溅射技术辅助的水热法在柔性衬底上制备多形貌的ZnO纳米结构,系统地分析了工艺-结构-性能之间的关系,探索不同形貌纳米ZnO结构的生长机制,讨论Al-ZnO/PET–GR、B-ZnO/PET–ITO和Au/B-ZnO/PET–GR等多级复合结构的光电、电化学和光催化性能,主要的研究内容如下:(1)在PET–GR衬底上制备Al原子掺杂浓度分别为0%,3%,6%,9%,12%和15%的Al-ZnO/PET–GR复合结构。研究结果表明,Al原子是以氧化态的形式存在于Zn O晶格中,随Al掺杂量的不断增加,ZnO纳米棒的直径不断增大,Al-ZnO/PET–GR的光致发光光谱出现明显的红移现象。Al-ZnO薄膜的最大迁移率高达154.109 cm~2V~(-1)s~(-1),电阻率最低为0.656Ω·cm。适量Al原子的掺入能够有效提高复合结构的电化学性能,9%Al-ZnO/PET–GR异质结的光生电流密度和电极内阻分别达到0.7μA/cm~2和7Ω。(2)利用水热法在PET–ITO衬底上制备出B掺杂ZnO片层球。与纯ZnO相比,B掺杂后ZnO的晶格常数增大,ZnO的形貌从纳米棒演变成片层球。所制备的B-ZnO/PET–ITO异质结具有明显的整流特性,二极管的正向开启电压为0.4 V。利用非线性拟合的方法,探讨了在0~2 V的正向电压作用下,复合结构的电流输运机制。以B-ZnO/PET–ITO为光催化剂进行光催化降解实验,得到复合结构的最大降解率为41.45%,并对其能带结构进行分析。光生电流和电化学阻抗谱的测量结果表明,B原子的掺入能够促进光生电子-空穴对的分离,增强复合结构的光催化活性。(3)制备基于Au等离激元的Au/B-ZnO/PET–GR复合结构,研究其在光催化剂和超级电容器电极中的应用。B原子的适量掺入能够有效提高复合结构的光催化性能,Au/3%B-ZnO/PET–GR最大降解率达到38.11%,其光催化降解RhB的反应动力学方程为ln(C_0/C)=-0.0052 t+0.00034。利用能带结构和等离激元光催化理论,分析了复合结构的光催化机理。Au/3%B-ZnO/PET–GR电极的等效串联电阻和最大比电容分别为3.1Ω和62.96 F/g,比电容保持率为31.23%,而3%B-ZnO/PET–GR和Au/3%B-ZnO/PET电极的比电容仅为60.89 F/g和49.27 F/g。不同衬底和附加金属层均能影响复合电极的光催化和电化学性能。
【学位单位】：陕西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ132.41;TB383.1
【部分图文】：

1.1 引言随着数字信息化、电器智能化时代的不断发展和进步，人们的日常生活同通讯和信息之间的关系日益紧密，现代生活对高品质半导体光电子产品的需求越来越大，用以满足人们对柔性可穿戴电子设备的追求以及非平面工作环境的需要。因而，新型智能化、低耗小型化、延展柔性化的光电子器件是半导体器件今后发展的必然趋势。近年来，柔性电子集成技术“以迅雷不及掩耳之势”快速发展，已然成为光电子器件制备技术中一颗耀眼的“新星”，用以满足光电器件在轻、薄、柔、耐冲击等方面的更高要求。利用电子集成技术、微纳米技术和柔性化技术三者的有机统一，可以开发出功能更多、性能更强、应用更广的柔性光电子器件，可被广泛地应用于智能机器人、人造皮肤、柔性电池、柔性可穿戴能量收集器和柔性显示器等[1-6]器件的研制中。例如，惠普实验室与亚利桑那州立大学共同推出的笔状可卷曲电子显示器（图 1-1（a）），LG 柔性塑料电子纸显示屏（图 1-1（b））。

第 1 章 绪 论柔性半导体光电子器件。1.2 ZnO 的性能与应用1.2.1 ZnO 的晶体结构随着 ZnO 晶体所处环境条件的不同，其存在三种不同的晶体结构：均属于四方晶系的立方岩盐结构和立方闪锌矿结构以及属于六方晶系的六角纤锌矿结构，其原子结构示意图如图 1-2 所示。由于在常温常压下，六角纤锌矿结构的 ZnO 晶体相对于其他两种不同构型的 ZnO 晶体而言具有更小的内聚能，因此在自然条件下，ZnO 更容易以最为稳定的六角纤锌矿结构的形式存在。而如若 ZnO 晶体以立方岩盐和立方闪锌矿结构的形式出现，则需要一定的较为苛刻的环境条件。岩盐结构的 ZnO 需要在高压的环境（9GPa）下才能获得，而闪锌矿结构的 ZnO 只能在立方结构的衬底上生长才能稳定存在。

陕西理工大学硕士学位论文出 n 型电导特性，而且其电导率不断增大，他们认为这得益的 VO和 Zni缺陷的存在以及这两种缺陷含量的持续增大。)2和 NaOH 的甲醇溶液为生长溶液，利用溶胶-凝胶技术制备出现紫光（395 nm）、绿光（524 nm）和蓝光（450 nm）三 薄膜，并分析得到 ZnO 薄膜的紫光和蓝绿光发射带分别来源于与本征点缺陷 VO相关的浅施主-浅受主对的复合。
【参考文献】

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本文编号：2868537