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ZnO阵列薄膜的制备及其性能研究

作　者: 刘静
导　师: 高美珍
学　校: 兰州大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 氧化锌薄膜 液相法 光电性能 氧空位 场发射
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


ZnO薄膜由于其具有独特的光学、电学性质以及在纳米发电机、气敏、太阳能电池等领域的应用前景而受到人们的广泛关注。大量的研究结果表明,不同形貌、不同尺寸的ZnO纳米结构具有不同的性质,因此,通过对ZnO薄膜生长条件的控制来得到不同形貌的ZnO纳米结构并研究其性能变化是一项非常有意义的工作。目前,有很多方法可用于制备ZnO薄膜,如金属有机气相沉积、气相传输及液相法等。其中,物理法需要高温、复杂的仪器,而液相化学法具有制备过程简单,能耗低等特点而受到广泛的关注。本论文分别采用水溶液法和水热法,以六水和硝酸锌为反应前驱物,在普通玻璃基底和Si(100)基底上制备了ZnO阵列薄膜。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、四探针、光致发光、场发射等分析方法对不同条件下制备的ZnO薄膜的结构、形貌、电学和光学性能进行了细致的研究。研究发现：(1)反应温度及反应浓度对水溶液法制备的薄膜的结构和形貌有着明显的影响,这主要是由于ZnO自身特殊的晶体学结构所导致的。(2)对所制备的薄膜在500℃进行退火处理,发现退火后薄膜的电阻率明显降低,同时,随着冷却速率的增大,薄膜的电阻率也明显降低,在-15℃的条件下冷却,薄膜的电阻率可降低至0.525Ω·cm。通过分析发现,薄膜电阻率降低的主要原因是由于在快速冷却过程中氧空位含量的增多。(3)水热法制备的ZnO薄膜具有完全的C轴择优取向,种子层、反应温度、反应浓度、A13+的掺杂量和pH值均对薄膜的结构和形貌有着明显的影响。在A13+掺杂量为5 at.%时,薄膜中有管状纳米棒出现。而当pH值为11.0时,纳米棒转变为纳米针状,当pH值增大到11.7时,ZnO薄膜转变为Zn2SiO4薄膜。(4)对纳米棒状薄膜和纳米针状薄膜的场发射性能进行研究,发现针状薄膜的性能明显优于棒状薄膜。针状薄膜的开启电场可达5.2 V·μm-1,最大电流密度为0.09 mA·cm-2,放大因子可达1803,约为棒状薄膜的2倍。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 引言  8-19
  1.1 半导体薄膜材料  8
  1.2 ZnO的基本特性  8-14
    1.2.1 ZnO的结构  9-10
    1.2.2 ZnO的电学性能  10-12
    1.2.3 ZnO的光学性质  12-14
    1.2.4 ZnO的压电特性  14
  1.3 ZnO纳米薄膜的制备方法  14-17
    1.3.1 液相法  15-16
    1.3.2 气相传输法  16-17
  1.4 选题意义和研究内容  17-19
第二章 样品的制备与表征  19-29
  2.1 化学试剂及仪器  19-20
  2.2 水溶液法制备ZnO薄膜  20-21
    2.2.1 敏化-活化  20-21
    2.2.2 薄膜的沉积  21
  2.3 水热法制备ZnO薄膜  21-22
    2.3.1 ZnO种子层的制备  21-22
    2.3.2 薄膜的沉积  22
  2.4 样品的表征  22-29
    2.4.1 X射线衍射  22-23
    2.4.2 扫描电子显微分析(ESM)  23-25
    2.4.3 光致发光(PL)  25
    2.4.4 四探针法测量薄膜的方块电阻  25-28
    2.4.5 场致电子发射  28-29
第三章 水溶液法制备ZnO薄膜及其性能的研究  29-38
  3.1 ZnO纳米结构的生长机理  29-30
  3.2 温度对ZnO纳米结构的影响  30-32
    3.2.1 温度对ZnO结构和形貌的影响  30-32
    3.2.2 温度对ZnO发光性能的影响  32
  3.3 浓度对ZnO纳米结构形貌的影响  32-34
  3.4 退火及冷却速率对ZnO纳米结构的电学、光学性能的影响  34-38
第四章 水热法制备ZnO薄膜及其性能的研究  38-50
  4.1 ZnO纳米结构的生长机理  38-39
  4.2 种子层对ZnO纳米棒结构的影响  39-40
  4.3 温度对ZnO纳米棒薄膜的影响  40-41
  4.4 浓度对ZnO纳米棒薄膜结构的影响  41-42
  4.5 Al~(3+)掺杂对ZnO纳米棒薄膜的影响  42-45
  4.6 pH值对ZnO形貌的影响  45-47
  4.7 场发射性能的测试  47-50
第五章 结论  50-52
参考文献  52-56
研究生期间发表的论文  56-57
致谢  57

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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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