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微纳米花形ZnO的水浴法制备及其光学性能研究

作　者: 杨乐娇
导　师: 尹衍升
学　校: 中国海洋大学
专　业: 材料学
关键词: 花形 氧化锌 光致发光 掺杂
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 79次
引　用: 1次
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内容摘要


ZnO是一种重要的II-IV族直接宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能高达60 meV,被认为是一种有广阔应用前景的紫外光发射材料。同时它也是一种多功能氧化物材料,在光电、铁电、压电、热电、铁磁等领域具有优异的特性,可广泛应用于透明电极、压电材料、压敏电阻、声波器件和太阳能电池等诸多领域。目前,ZnO的研究主要集中在ZnO薄膜、ZnO掺杂及ZnO纳米结构的研究。在纳米结构领域,科研人员已经取得了很大进展,但纳米ZnO器件的应用仍然任重而道远。众所周知,材料的性能取决于材料的结构,而材料的结构又很大程度上取决于制备方法和工艺。因此,对于材料的形貌、尺寸等的可控制备研究,对于纳米ZnO器件的应用是至关重要的前提。本论文采用简单的水浴法,以硝酸锌（Zn（NO3）2·6H2O）、六亚甲基四胺（（CH2）6N4）和乙二胺（C2H8N2）为原料,制备了微纳米花形ZnO结构,为研究其生长过程/原理,在不同实验条件（浓度、温度、时间、反应物配比）下制备了不同形貌的ZnO微纳米材料,系统探讨了不同因素对其形貌和结构的影响,并采用光致发光谱和紫外-可见光吸收光谱作为光学性能的表征手段。此外,以普通玻璃片为基底,采用一步水浴法制备出了微纳米花形ZnO阵列及掺S微纳米花形ZnO阵列,研究了掺S对花形ZnO阵列结构、形貌与发光性能的影响。采用X-射线粉末衍射仪（XRD）进行物相分析,场发射扫描电子显微镜（FESEM）透射电镜（TEM,配有选区电子衍射（SAED））观察产物的形貌,荧光光谱仪（激发光源为Xe灯）在室温下测定光致发光（PL）光谱,紫外光谱仪分析样品的紫外-可见光吸收光谱。研究结果表明:（1）微纳米花形ZnO的花瓣为六角锥形结构,XRD测试表明其为纤锌矿ZnO结构,高分辨透射电镜及选区电子衍射花样表明其为单晶结构,并且沿着从c轴生长,能谱分析表明其由Zn和O元素组成,组成接近1:1,表明其结晶良好。（2）反应溶液浓度、生长温度、生长时间、反应物配比等对样品形貌的影响较大。随着反应溶液浓度的增大,微纳米花形ZnO的生长速度加快,尺寸增加,结晶致密、晶体质量提高。随着生长温度的降低,晶核易团聚从而导致花瓣聚集;此外温度的降低使反应速率降低,并导致晶粒发育不完全。随着生长时间的延长,初期有助于晶粒的发育和长大,但当时间过长时,容易造成“溶解”现象,使晶体质量下降。乙二胺的选择性吸附提供了二次形核生长点,因此在形成花形ZnO结构中起着决定性的作用,而六亚甲基四胺只是影响花瓣的形貌,吸附在花瓣侧面阻碍其生长,使花瓣更为“修长”。（3）微纳米花形ZnO的PL谱中有两个特征发光峰,分别是365 nm处的窄的紫外发射峰及406 nm左右宽的紫外-紫光发光峰。不同反应条件（反应溶液浓度、生长温度、反应物配比）对光致发光性能亦有影响。（4）掺S微纳米花形ZnO阵列较未掺微纳米花形ZnO阵列的均匀性和取向性得到了提高,但表面变得粗糙,此外,掺S后产物的PL光谱的UV发射峰减弱且出现了较强的绿光发射峰。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-11
1 文献综述  11-26
  1.1 引言  11-12
  1.2 ZnO 的晶体结构和基本性质  12-15
    1.2.1 ZnO 的晶体结构  12-13
    1.2.2 ZnO 的基本性质  13-15
  1.3 ZnO 微纳米结构的研究进展  15-20
    1.3.1 ZnO 丰富的微纳米形貌  15-17
    1.3.2 ZnO 纳米材料的制备方法  17-20
  1.4 ZnO 的应用  20-23
    1.4.1 光电方面的应用  20-21
    1.4.2 压电方面的应用  21-22
    1.4.3 稀磁方面的应用  22
    1.4.4 气敏方面的应用  22-23
    1.4.5 压敏方面的应用  23
  1.5 选题意义和研究内容  23-26
2 微纳米花形氧化锌的制备及其形貌和结构的分析  26-45
  2.1 引言  26
  2.2 实验试剂与实验仪器  26-27
    2.2.1 实验试剂  26-27
    2.2.2 实验仪器  27
  2.3 实验过程  27-30
    2.3.1 微纳米花形ZnO 的制备  27-29
    2.3.2 微纳米花形ZnO 的表征  29-30
  2.4 结果与讨论  30-41
    2.4.1 微纳米花形ZnO 的结构与形貌表征  30-32
    2.4.2 反应溶液浓度的影响  32-35
    2.4.3 反应温度的影响  35-37
    2.4.4 反应物配比的影响  37-39
    2.4.5 反应时间的影响  39-41
  2.5 微纳米花形氧化锌生长机理讨论  41-44
    2.5.1 水热条件下ZnO 纳米结构的生长机理  41-42
    2.5.2 微纳米花形ZnO 的生长过程  42-44
  2.6 本章小结  44-45
3 微纳米花形氧化锌的光学性能研究  45-54
  3.1 引言  45
  3.2 半导体材料光致发光的基本原理及其测试设备  45-47
  3.3 氧化锌的光致发光特点  47-49
  3.4 微纳米花形氧化锌的光学性能研究  49-50
  3.5 制备条件对光学性能的影响  50-53
    3.5.1 浓度对PL 性能的影响  50-51
    3.5.2 温度对PL 性能的影响  51-52
    3.5.3 反应物配比对PL 性能的影响  52-53
  3.6 本章小结  53-54
4 花形氧化锌阵列的制备及表征  54-63
  4.1 实验试剂与实验仪器  54-55
    4.1.1 实验试剂  54
    4.1.2 实验仪器  54-55
  4.2 实验过程  55-57
    4.2.1 花形ZnO 阵列的制备  55-56
    4.2.2 花形ZnO 阵列的表征  56-57
  4.3 结果与讨论  57-62
    4.3.1 掺S 对花形ZnO 阵列的结构与形貌的影响  57-60
    4.3.2 掺S 对花形ZnO 阵列的发光性能的影响  60-62
  4.4 本章小结  62-63
5 结论与展望  63-65
  5.1 本论文的主要工作及结论  63-64
  5.2 研究展望  64-65
参考文献  65-72
致谢  72-73
个人简历  73
硕士期间发表论文情况  73

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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