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ZnO纳米材料的制备、表征及性能研究

作　者: 冯立兵
导　师: 刘爱华
学　校: 山东师范大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: ZnO纳米结构脉冲激光沉积热蒸发光致发光
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,由于宽禁带半导体材料在短波长发光器件、光探测器和大功率电子器件方面的广阔应用前景而备受关注,发展十分迅速,成为研究的热点。ZnO是一种非常重要的多功能n型II–VI直接宽禁带化合物半导体材料。室温下,其禁带宽度为3.37 eV,而且具有很大的激子束缚能和很好的热稳定性。ZnO作为一种应用广泛的半导体,其独特的铁电、热电、催化和光催化特性以及在太阳能电池、气敏传感器、紫外光电二极管、透明电极及光电器件方面的重要应用,使其成为各国研究的热点。研究者已经利用化学气相沉积法、化学溶液沉积法、脉冲激光沉积法、电化学法、水热法、喷雾热解法、热蒸发法等制备出包括纳米线、纳米棒、纳米晶须、纳米带、纳米管和纳米花等多种形貌的ZnO纳米结构。本文采用脉冲激光沉积和热蒸发法制备了ZnO多种纳米结构。用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和光致发光谱(PL)等测试手段详细的分析了ZnO纳米材料的结构、组分、形貌和光致发光特性。并初步提出了核的大小影响ZnO纳米结构的形貌的观点,并对ZnO纳米结构的生长机理进行了研究。所取得的主要研究结果如下:1.利用脉冲激光沉积(PLD)技术预先在蓝宝石(001)衬底上制备了ZnO薄膜,在Si(111)衬底上制备了Zn薄膜。制备的ZnO和Zn薄膜将会在后面ZnO纳米结构的生长过程中起到不同的作用。ZnO薄膜为ZnO四角纳米结构的生长提供了生长点,Zn薄膜则能够有效地促进ZnO晶核的形成从而有效地促进ZnO纳米结构的生长。2.利用非催化的热蒸发的方法在沉积了ZnO薄膜的蓝宝石(001)衬底上制备了四角ZnO纳米结构,在镀Zn薄膜的Si(111)衬底上制备了多角状的ZnO纳米晶须和花束状ZnO纳米棒。用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、选取电子衍射(SAED)和光致发光谱(PL)等测试手段对ZnO纳米结构进行了分析。3. ZnO纳米结构光学特性的研究。在室温下,用波长为325 nm的Xe灯作为激发光源激发样品发光。多种ZnO纳米结构都只有一个紫外发光峰和一个绿光发光峰。对于紫外发光峰对应于六方纤锌矿ZnO纳米结构的近带边发射,通常认为近带边发光归因于激子辐射复合发光。而对于绿光发光峰,通常被认为是由于深能级或缺陷态复合发光。一般认为绿光发光源于单个电离的氧空位与价带空穴之间的辐射复合跃迁所致。因此,我们认为在实验中的绿光发光峰是因为制备的ZnO纳米结构中存在氧空穴所致。4.通过对ZnO纳米结构的生长过程的分析,我们讨论了各种ZnO纳米结构的生长机理。研究了在衬底上镀不同薄膜对ZnO纳米结构形貌的影响。并提出了核的大小影响ZnO纳米结构形貌的观点。

全文目录

中文摘要  6-8
Abstract  8-11
第一章绪论  11-28
  1.1 纳米材料的概念及其特性  11-14
  1.2 ZnO 结构的特点与性质  14-18
  1.3 ZnO 纳米结构的典型形貌  18-23
  1.4 ZnO 纳米材料的制备及研究概况  23-25
  1.5 ZnO 纳米材料的性能及应用  25-26
  1.6 选题依据和研究内容  26-28
第二章实验设备与测试表征方法  28-33
  2.1 实验设备介绍  28-30
  2.2 实验中所需要的主要材料和试剂  30
  2.3 衬底的处理  30
  2.4 样品的测试与表征  30-33
第三章四角状ZnO 纳米结构的制备及机理研究  33-41
  3.1 四角状ZnO 纳米结构的制备  33-34
  3.2 四角状ZnO 纳米结构的表征  34-38
  3.3 四角状ZnO 纳米结构的生长机理  38-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章多角状ZnO 纳米晶须的制备及机理研究  41-51
  4.1 多角状ZnO 纳米晶须的制备  41-42
  4.2 多角状ZnO 纳米晶须的表征  42-47
  4.3 多角状ZnO 纳米晶须的生长机理  47-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章花束状ZnO 纳米棒的制备及机理研究  51-59
  5.1 花束状ZnO 纳米棒的制备  51
  5.2 花束状ZnO 纳米棒的表征  51-56
  5.3 花束状ZnO 纳米棒的生长机理  56-58
  5.4 本章小结  58-59
第六章全文总结及对今后研究工作的建议  59-61
参考文献  61-67
硕士期间发表的论文  67-68
致谢  68

ZnO纳米材料的制备、表征及性能研究

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