水热合成法制备一维取向ZnO纳米线阵列及光学特性研究

发布时间：2020-05-30 22:01

【摘要】：最近,低维纳米ZnO半导体材料以其独特的特性及未来在光电子器件、压电子器件、纳米传感器件的应用潜力,受到了全球相关领域研究人员的瞩目,低维纳米ZnO半导体材料的制备及特性研究已逐渐成为纳米材料科学和凝聚态物理学领域的热点和前沿问题。开展ZnO半导体材料在电子学、光学、压电、传感器件等的实验及应用研究,进行纳米ZnO半导体材料特别是取向纳米ZnO半导体阵列的最佳制备工艺和方法的研究,就是纳米材料科学和凝聚态物理学领域的最紧迫和最必要的研究问题。为了找到取向ZnO纳米线阵列的最佳制备工艺,研究工艺制备参数对取向ZnO纳米线阵列的影响因素,本论文重点开展了以下研究工作: 1、以氨水溶液为反应液,以金属Zn片为Zn源,开展了用水热合成工艺制备取向ZnO半导体纳米线阵列的研究。为了研究氨水溶液浓度对ZnO纳米线阵列生长形貌的影响,首先将反应温度控制在95℃,反应时间定为12小时,在氨水浓度体积比分别为为4%、7%、10%和15%的条件下,对比制备出的ZnO纳米线阵列样品的TEM、XRD及PL谱,对结果进行比较分析。 2、开展了反应时间对取向ZnO纳米线阵列形貌的影响研究。将反应温度控制在95℃,氨水浓度定为10%,把四个装有相同反应物的反应釜放入容器中加热,研究12、24、36、48小时实验时间下,制备样品的微结构,对样品进行SEM表征分析,对结果进行比较。 3、研究了氨水溶液水热合成工艺中的反应温度对取向ZnO纳米线阵列的影响。试验中,将氨水浓度控制在10%,反应时间为12小时,反应温度分别控制为95℃、125℃、145℃。反复多次实验,对不同样品进行SEM表征。对结果进行比较分析。 4、对不同氨水浓度条件下制备的取向ZnO纳米线阵列样品进行光致发光(PL)特性研究,并与采用化学气相沉积法制备的ZnO纳米线阵列的PL谱图进行了比较。结果发现,因反应环境密闭,所选的反应物基本为纯净物,采用水热合成方法在金属Zn片制备的取向ZnO纳米线阵列,杂质引入的可能性大幅度降低,制得取向ZnO纳米线阵列样品的单根纳米线中杂质能级很少,其PL谱表现出了极佳的单峰特性,PL谱只有因电子-空穴对形成的激子复合发光产生的单一紫发光峰,没有出现CVD法制备ZnO纳米线阵列样品中因杂质及缺陷导致的绿光峰。论文还对取向ZnO纳米线阵列样品的光致发光机理及水热合成与CVD法制备ZnO纳米线阵列样品的PL谱特性进行了分析。论文研究也表明,水热合成法制备的ZnO纳米线阵列样品,随氨水浓度的增大,制得的纳米线样品的直径就随之变小,其PL谱辐射出的紫外线波长就逐渐蓝移,实验中这个现象非常明显,这一结果也正好印证了纳米材料的小尺寸效应。
【图文】：

铅锌矿,晶面,结构示意图

ZnO 属于Ⅱ-Ⅵ族，是直带隙半导体材料，通常状态下，ZnO 的结晶体为六方锌矿结构。晶体结构分析表明，六方密堆积排列方式的锌原子[1]，，ZnO 晶格中的原子与近邻的 4 个 O 原子共同构成一个完整的四面体结构。ZnO 晶格中的 Zn 面在（0001）晶向以 ABABAB… … 方式密堆排列，形成了两个完全不同的（0001000-1）晶面，分别代表 Zn 极性面和 O 极性面（如图 1.1）。Zn 极性面表现为带性，O 极性面表现为负正电特性，正因为 ZnO 半导体极性面的存在，使得 ZnO 半表现出了非常奇特的压电、光电特性。室温下，ZnO 的禁带宽度为 3.37eV，电子-空穴纠缠形成的激子束缚能为 60me个值比其室温热离化能（26meV）大，所以，室温条件下，ZnO 的束缚激子得以这些特性使 ZnO 半导体非常适用于作蓝光半导体器件材料。同时，与 Si、GaAN 等传统半导体材料相比，因 ZnO 半导体材料具有的压电效应[3]，热稳定性和化特性，使其在纳米发电机[3]、半导体激光器、气敏器件[5]、场发射器件、光波导器线性光学器件、光电子器件[5]、紫外光探测器[3]、生物传感器以及平板显示器件水平纳米光电子器件等领域都有广阔的应用及发展前景[4-7]。

SEM图,水热合成法,纳米线阵列,光学特性

(a)氨水浓度4%，制备的一维氧化锌纳米线阵列的SEM图
【学位授予单位】：辽宁师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TB383.1

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