低维半导体材料的合成及新能源器件应用研究

发布时间：2017-04-17 17:04

  本文关键词：低维半导体材料的合成及新能源器件应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着纳米技术领域的不断突破与革新,低维半导体纳米结构材料因为其独特的微观结构以及优越的电子传输能力使得其在各类新型器件中的表现异常突出,其中的新能源器件更是被热点关注的问题。本文系统研究了几种具代表性的半导体材料合成方法以及其在新能源器件方面的制备与应用,根据材料的不同微观结构和性质将其分别应用于场效应晶体管、锂离子电池、染料敏化太阳能电池及超级电容器,并均表现出优异的性能,此外还研究了其在柔性器件领域的应用。文中的主要研究结果归纳如下。 采用化学气相沉积法合成了多种形貌结构各异的低维硫化铟纳米结构以及硒化镓纳米线,表征分析结果表明硒化镓纳米线具有较大的长径比且产量丰富,非常适合进行基于单根纳米线的场效应晶体管制备。通过光刻等工艺流程成功制备了基于硅／二氧化硅基底的背栅结构场效应管器件,根据电学性质测试的结果可知,基于硒化镓纳米线的场效应管表现出了典型的p型半导体特性,在硒化镓纳米线与沟道的接触界面产生了肖特基势垒,导致接触界面有较大的接触电阻,而且测试过程中环境的细微变化都对测试结果有着巨大的负面影响。以上结果都为硫化铟和硒化镓的低维结构合成研究及其电子器件应用提供了一定参考价值。 以碳布为基底采用重复反应的水热法得到了新型编织状结构氧化锌纳米结构,将其在400℃高温煅烧2h,所得到的包含碳布基底的氧化锌纳米材料作为锂离子电池的负极材料,成功制备了锂离子电池并进行了封装。表征结果证明了煅烧前后产物的纯净性和一致性,对锂电池的重复充放电和循环性能测试结果表明锂离子电池具备良好的可逆性,0.5mV/s扫速下首次放电容量为1450mAh g-1,高于氧化锌的理论比容量978mAh g-1,首次充电容量为1067mAh g-1,十圈过后比容量趋于稳定并保持在600mAh g-1上下,直至130圈仍未有大的降落,整个循环过程中的库伦效率都稳定在100%左右,在0℃～60℃范围内都能保持很好的循环稳定性,而且在90%的高湿度条件下仍然具有良好的稳定性。 将编织状氧化锌纳米在800℃高温下煅烧5h去除碳布基底,得到了空心编制状氧化锌纳米结构薄膜,该氧化锌材料仍然保持了编织状的结构具备布的柔韧性,以此作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料,表征结果表明煅烧后的碳布已成功去除,所制备的染料敏化太阳能电池测试结果表明,经过四氯化钛处理的太阳能电池的光转化效率为0.38%,相比于未经四氯化钛处理过的其短路电流密度、填充因子以及开路电压上均有明显提高；可见光最佳响应区域为450～600nm,此区间内经四氯化钛处理过的转换效率峰值高达1.2%,相较未处理过的提升了20%左右；而经过四氯化钛处理后的寿命为162ms,其电池寿命有了质的飞跃,充分说明了四氯化钛对光阳极有着显著的优化效果。 以先前水热法得到的氧化锌/碳布为模板,将其在硝酸镍溶液中浸泡后煅烧再在KOH溶液中浸泡,成功去除了氧化锌模板,得到层状氧化镍/碳布纳米结构的材料,将其作为电极材料制备超级电容器,表征结果发现煅烧后的氧化镍层状结构中出现了的许多微空洞结构,使得材料的比表面积大大增加,为电容器性能的提升提供了有力保证。制备的液态超级电容器以电解液为3M KOH溶液,表现出来明显的赝电容效应,可逆性与稳定性都很好,在1mA/cm2的电流密度下的比容量为842mF/cm2,测试数据也证明了去除氧化锌材料的必要性。制备的柔性固态超级电容器以PVA-KOH为电解质,表现出明显的双层电容特性,同样具备良好的稳定性和可逆性,在电流密度为0.1mA/cm2下的比容量为20mF/cm2,而且在不同弯曲角度甚至扭曲的情况下仍然维持了一贯的高性能,使用该柔性电容器成功驱动点亮了LED灯,证明其具备一定的实际应用能力。
【关键词】：化学气相沉积法 水热合成法 纳米线 场效应晶体管 锂离子电池 染料敏化太阳能电池 超级电容器 柔性
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-32
• 1.1 引言11
• 1.2 纳米技术与纳米材料概述11-17
• 1.3 低维半导体纳米材料的合成方法17-21
• 1.4 半导体纳米器件研究进展21-28
• 1.5 本论文的选题意义和主要研究内容28-32
• 2 纳米线的气相法合成及其器件性能研究32-45
• 2.1 引言32-33
• 2.2 硫化铟和硒化镓纳米线的合成及器件制备33-38
• 2.3 微观形貌及器件性能测试38-44
• 2.4 本章小结44-45
• 3 编织状氧化锌纳米结构的合成及其锂电池应用45-60
• 3.1 引言45-46
• 3.2 编织状氧化锌纳米结构的合成及表征46-51
• 3.3 锂离子电池的制备及性能研究51-58
• 3.4 本章小结58-60
• 4 空心编织状氧化锌薄膜及其染料敏化太阳能电池应用60-70
• 4.1 引言60-61
• 4.2 空心编织状氧化锌薄膜的合成及表征61-63
• 4.3 染料敏化太阳能电池的制备及性能研究63-68
• 4.4 本章小结68-70
• 5 层状氧化镍纳米结构的合成及其超级电容器应用70-94
• 5.1 引言70-71
• 5.2 层状氧化镍纳米结构的合成及表征71-75
• 5.3 超级电容器的制备及其性能研究75-92
• 5.4 本章小结92-94
• 6 总结与展望94-100
• 6.1 工作总结94-96
• 6.2 展望96-100
• 致谢100-101
• 参考文献101-111
• 攻读博士学位期间发表论文目录111

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本文编号：313892