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掺杂ZnO薄膜的生长及其储锂性能研究

作　者: 徐浩
导　师: 陆昉
学　校: 复旦大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 掺杂ZnO 脉冲激光沉积 ZnO1-xSx 射频磁控溅射 AZO 电化学
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文主要研究了两种掺杂ZnO薄膜的制备方法,以及杂质掺入后对其晶体结构、电化学性质的影响。研究的内容包括如下两个部分：一、4种不同比率ZnO1-xSx薄膜的制备,及其结构、电化学性质的研究。我们采用脉冲激光沉积技术成功地制备了一系列不同掺杂比例的ZnO1-xSx薄膜。ZnO1-xSx并非是ZnO、ZnS两种晶粒的简单混合,而是一个独立的晶相。ZnO1-xSx(0.1<x<0.9)拥有比ZnO、ZnS更小的禁带宽度,因而它拥有更好的电导率。我们的研究结果表明：在所有的比例中,ZnO0.28S0.72的可逆循环性能明显优于其他比例的ZnO1-xSx晶体。同时,ZnO1+xSx这种双阴离子化合物在放电还原生成独立的Zn、Li2O、Li2S的晶相后,还能可逆的充电氧化回到ZnO1-xSx相,而非ZnO和ZnS两种晶体的混合。二、7种不同掺杂比例AZO薄膜的制备及其物理、电化学性质的研究。首先,我们采用射频磁控溅射技术制备了7种不同比率的AZO薄膜,并重点研究了掺杂比、靶-基距离两个参数对薄膜晶体结构、电学和光学性质的影响。研究表明：Al掺入后会引起ZnO晶格常数的变化,在掺杂比为2%时,可以得到最低电阻率4.94×10-4Ω·cm,同时,我们发现适当的减少靶-基距离可以提高载流子浓度和迁移率。另一方面,我们又进行了AZO/Li的电化学性质研究,其结果显示：1%-3%的掺杂带来的高电导率,可以非常有效地提高其可逆反应容量；但掺杂过多时,会生成独立的、不参与反应的A1203晶相,薄膜电阻率大大提升,电极的可逆氧化／还原反应受阻。本论文的总体研究思想是：向ZnO薄膜中掺入阴离子S2-和阳离子A13+,在保证薄膜高透射率(可见光波段)的同时,通过改变禁带宽度、提高载流子浓度来改善ZnO薄膜的导电性能。随后,我们将这种改善后的薄膜应用于锂离子电池电极,观察到由此带来的可逆循环容量提高。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
第一章绪论  8-21
  1.1 ZnO晶体概括  8-9
    1.1.1 Al掺杂ZnO  8-9
    1.1.2 Ⅵ族元素掺杂的ZnO  9
  1.2 锂离子电池概述  9-15
    1.2.1 锂离子电池的发展历史  9-11
    1.2.2 锂离子电池的工作原理  11-12
    1.2.3 锂离子电池的电极材料  12-15
      1.2.3.1 负极材料  12-14
      1.2.3.2 正极材料  14-15
  1.3 本论文的研究内容和意义  15
  参考文献  15-21
第二章样品制备及测试手段  21-39
  2.1 脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition)技术  21-24
    2.1.1 脉冲激光沉积制备薄膜的基本原理  21-22
    2.1.2 实验装置示意图  22-23
    2.1.3 脉冲激光沉积技术的特点  23-24
  2.2 磁控溅射(Magnetron Sputtering)镀膜技术  24-28
    2.2.1 溅射理论  24-25
    2.2.2 辉光放电  25-27
    2.2.3 磁控溅射镀膜  27-28
  2.3 薄膜的物性表征及测试  28-35
    2.3.1 质量测定——数字式微量天平  28
    2.3.2 薄膜的厚度测定——探针式表面轮廓仪  28-29
    2.3.3 电学性能的测试——霍尔仪  29-30
    2.3.4 X射线衍射(XRD)  30-31
    2.3.5 透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope)  31-33
    2.3.6 X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy)  33-35
  2.4 锂电池的组装及电化学性能测试方法  35-36
    2.4.1 电池的组装  35
    2.4.2 恒电流充放电测试(Galvanostatic Dischange/Change Cycling)  35-36
    2.4.3 循环伏安法(Cyclic Voltammograms)  36
  参考文献  36-39
第三章脉冲激光沉积(PLD)制备ZnO_(1-x)S_x薄膜及其性质的研究  39-53
  3.1 引言  39-40
  3.2 脉冲激光沉积技术制备ZnO_(1-x)S_x薄膜的实验参数  40
    3.2.1 样品靶的制备  40
    3.2.2 薄膜沉积条件  40
  3.3 实验结构和讨论  40-51
  3.4 结论  51
  参考文献  51-53
第四章射频磁控溅射制备ZnO:Al薄膜及其性质的研究  53-73
  4.1 引言  53
  4.2 相关实验参数  53-54
    4.2.1 样品靶的制备  53-54
    4.2.2 薄膜沉积条件  54
    4.2.3 实验仪器型号介绍  54
  4.3 实验结构及讨论  54-70
    4.3.1 沉积条件对AZO晶体结构、电学和光学性质的影响  54-62
    4.3.2 AZO电化学性质研究  62-70
  4.4 结论  70
  参考文献  70-73
攻读硕士期间论文发表情况  73-74
致谢  74-76

掺杂ZnO薄膜的生长及其储锂性能研究

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