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ZnO纳米线/片的MBE法制备及结构和光学特性研究

作　者: 郑志远
导　师: 徐法强
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 核技术及应用
关键词: 氧化锌 纳米线 纳米片 等离子体辅助分子束外延 气-液-固生长机制
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 53次
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内容摘要


ZnO作为一种优异的光电功能材料,在众多领域如太阳能电池、发光二极管、气敏传感器等方面有着广泛的应用,又由于具有生物兼容性,在生命科学领域也有着重要的应用。为了满足不同需求,人们利用各种生长方法制备了丰富多彩的ZnO纳米结构。分子束外延（MBE）方法在制备高质量ZnO及其掺杂薄膜材料做了大量的研究工作。一方面,MBE系统处于（超）高真空中,能有效地避免其他杂质对样品的干扰;另一方面,MBE法可以通过精确地调控源材料的蒸发速率和气体流量等条件,进一步地控制纳米材料的生长。本论文主要介绍了利用氧等离子体辅助MBE（P-MBE）法制备ZnO纳米线/片及其性能研究。主要的研究结果如下:1.讨论了几种生长因素对ZnO纳米材料的影响,包括衬底温度、催化剂Au颗粒的尺寸、O2的流量和生长时间。结果显示,衬底温度较低时,ZnO的XRD主峰强度较高,而PL谱则相反;催化剂Au在退火后,其尺寸约为20～200nm;当O2流量为5.2sccm时,制备出ZnO薄膜结构,当O2流量为5.8sccm时,能制备出ZnO纳米线;随着生长时间的增加, PL谱的缺陷峰减弱,说明样品缺陷减少。2.利用P-MBE方法,以1nm厚的Au薄膜为催化剂,基于气-液-固（VLS）机制实现了低温ZnO纳米线阵列在Si（111）衬底表面的生长。FE-SEM结果显示ZnO纳米线阵列整齐地、稠密地垂直生长在衬底上,其直径为20-30nm,长度约为200nm。XRD和HRTEM结果表明ZnO纳米线为六方纤锌矿结构,具有沿C轴方向的择优取向。室温PL谱显示在380nm附近有强烈ZnO本征发射峰,475-650nm可见光区域有较强的发射峰。探讨了ZnO纳米线阵列的生长过程。3.采用P-MBE的方法制备了高质量的ZnO纳米片。FE-SEM显示ZnO稠密地生长在Si（111）衬底上,分布着许多短棒。ZnO纳米短棒上粘附了大量的纳米片。这些纳米片轮廓清晰,为六边形纤锌矿结构。纳米片的尺寸约为100-300nm,纳米棒的长度为1-3μm,直径为0.4-0.8μm。XRD和HRTEM结果显示ZnO纳米片的（002）峰最强,相邻两个晶格的晶面间距为0.26nm,说明样品具有C轴择优取向。室温PL谱只显示在380nm附近有强烈的本征发射峰,表明ZnO纳米片的光学质量较好。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-23
  1.1 引言  9-11
  1.2 ZnO 纳米材料的制备方法和生长机理研究  11-16
    1.2.1 ZnO 材料的基本性质  12
    1.2.2 ZnO 纳米材料的制备方法  12-15
    1.2.3 ZnO 纳米材料生长机理的研究  15-16
  1.3 ZnO 纳米材料的主要性质及在光电领域的应用前景  16-19
    1.3.1 ZnO 纳米材料的主要性质  16-18
    1.3.2 ZnO 纳米材料在光电领域的应用前景  18-19
  1.4 选题背景与研究内容  19-20
    1.4.1 选题背景  19-20
    1.4.2 研究内容和论文结构  20
  参考文献  20-23
第二章 ZnO 纳米材料的实验内容与表征方法  23-33
  2.1 概述  23
  2.2 ZnO 纳米材料的实验内容  23-27
    2.2.1 仪器设备  23-25
    2.2.2 分子束外延（MBE）的特点  25-26
    2.2.3 实验过程  26-27
  2.3 样品的表征方法简介  27-31
    2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）  27-28
    2.3.2 X 射线衍射（XRD）  28-29
    2.3.3 透射电子显微镜（TEM）  29-30
    2.3.4 光致发光谱（PL）  30-31
    2.3.5 X 射线光电子能谱（XPS）  31
  2.4 本章小结  31-32
  参考文献  32-33
第三章 ZnO 纳米材料制备工艺的研究  33-41
  3.1 概述  33
  3.2 衬底温度的影响  33-35
  3.3 催化剂Au 的影响  35-36
  3.4 0_2 条件的影响  36-38
  3.5 生长时间的影响  38-39
  3.6 本章小结  39
  参考文献  39-41
第四章 一维 ZnO 纳米线阵列的制备及其性能研究  41-53
  4.1 概述  41-42
  4.2 一维ZnO 纳米线阵列的形貌与结构特征  42-45
    4.2.1 一维ZnO 纳米线阵列的制备过程  42-43
    4.2.2 一维ZnO 纳米线阵列的形貌与结构分析  43-45
  4.3 一维ZnO 纳米线阵列的发光性能  45-46
  4.4 一维ZnO 纳米线阵列的X 射线光电子能谱研究  46-48
  4.5 一维ZnO 纳米线阵列的生长机理  48-50
  4.6 本章小结  50-51
  参考文献  51-53
第五章 ZnO 纳米片的制备及其性能研究  53-62
  5.1 概述  53-54
  5.2 ZnO 纳米片的形貌和结构特征  54-57
    5.2.1 ZnO 纳米片的制备过程  54
    5.2.2 ZnO 纳米片的形貌与结构分析  54-57
  5.3 ZnO 纳米片的发光性能  57-58
  5.4 ZnO 纳米片的X 射线光电子能谱研究  58-59
  5.5 本章小结  59-60
  参考文献  60-62
致谢  62-63
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  63

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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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