一維半導(dǎo)體納米材料制備、性能及輻射探測器件研究.pdf

1、近年來,一維納米材料由于其新穎的物理、化學(xué)性質(zhì)在納米器件等諸多領(lǐng)域所展示的潛在的應(yīng)用前景,已成為當今納米材料的前沿和研究熱點。其中輻射探測器如紫外探測器和核輻射探測器無論在軍用還是在民用上都有重要的應(yīng)用價值,因此引起人們的極大關(guān)注。本文利用簡單的水熱合成方法制備了高質(zhì)量的ZnO納米棒陣列,ZnS、ZnS/Ag納米線,過渡性元素Co摻雜的稀磁半導(dǎo)體ZnO納米棒陣列,CeO2納米線,在研究了一維半導(dǎo)體納米材料的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)以及光電化學(xué)等

2、性能的基礎(chǔ)上,利用ZnO納米棒及其棒陣列構(gòu)筑了紫外光電導(dǎo)探測器,利用CeO2納米線研制出一種新型的γ射線液體輻射劑量計,對納米探測器件進行了表征和性能測試。取得了如下主要研究成果:
　　 (1)基于鋅基底的ZnO納(微)米棒陣列的制備及性能研究利用鋅片作為基底與有機強堿四甲基氫氧化銨水溶液進行水熱反應(yīng),制備出有序排列的ZnO鉛筆狀納米結(jié)構(gòu)陣列。Zn片既可以直接充當反應(yīng)物又可以作為一維納米棒垂直生長的基底。對一維納米材料進行了結(jié)構(gòu)

3、和形貌的表征,研究了四甲基氫氧化銨濃度及反應(yīng)溫度對產(chǎn)物形貌的影響。實驗結(jié)果表明當TMAOH濃度為0.3M,反應(yīng)溫度為170℃的時候,ZnO納米棒陣列的形貌較為均勻,取向性較好。通過改變反應(yīng)時間討論了ZnO納(微)米棒陣列的生長機制。
　　 通過光致發(fā)光光譜和拉曼光譜研究了鉛筆狀ZnO納米棒陣列的光學(xué)性能,結(jié)果表明制備得到的ZnO納米棒陣列具有高質(zhì)量的六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的光學(xué)性能,ZnO的表面缺陷較少,結(jié)晶度較高且沒有其他

4、元素摻雜。由于其在基底上均勻分布、一致的取向性以及與基底良好的接觸,所制備的ZnO納米棒陣列具有較好的場發(fā)射性能場,發(fā)射電流密度穩(wěn)定,且隨時間并沒有明顯的衰減趨勢。因此,所制備的鉛筆狀ZnO納米棒陣列結(jié)構(gòu)是一種理想的場發(fā)射陰極材料。利用標準三電極體系,對ZnO納米棒陣列的光電化學(xué)性能進行研究。在光照條件下(on),光電流瞬間產(chǎn)生且保持穩(wěn)定不衰減:在擋光的瞬間(off),光電流迅速降到初始值。垂直于基底排列整齊、沿c軸統(tǒng)一取向生長,長度較

5、長的納米棒陣列具有更大的光電流。
　　 研究了退火溫度對ZnO納米棒陣列的形貌及光學(xué)特性的影響。檢測結(jié)果表明,在退火過程中,納米棒的形貌基本保持不變,但其發(fā)光性能有所變化。當退火溫度在400℃時,ZnO納米棒結(jié)晶質(zhì)量較高且結(jié)構(gòu)缺陷較少,發(fā)光特性得到了提高。這一研究為以后半導(dǎo)體發(fā)光材料光學(xué)性質(zhì)的研究提供了新的途徑。
　　 利用柯肯達爾效應(yīng)原理,通過簡單的水熱法一步制備了由ZnO納米棒自組裝形成的結(jié)晶良好的“蒲公英”形狀空心

6、微球,并討論了其形成機理。利用該原理可以制備其他金屬氧化物的空心微球或具有特殊構(gòu)造的金屬.半導(dǎo)體納米復(fù)合物,它們將在光生電子儲存,三維激光器,傳感器以及光催化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 (2)一維半導(dǎo)體復(fù)合納米材料的水熱法制備及其光電化學(xué)性能,磁學(xué)特性研究為了提高一維半導(dǎo)體納米材料的性能和拓展其應(yīng)用領(lǐng)域,對ZnO納米棒陣列進行了CdS復(fù)合,Co摻雜,對ZnS納米線進行了Ag負載,并研究了光電化學(xué)性能,磁學(xué)等特性。
　

7、　 在ZnO納米棒陣列表面沉積了立方體形的CdS納米顆粒,對其形貌及其形成機理進行了討論。研究了復(fù)合結(jié)構(gòu)納米棒陣列的光電化學(xué)性能,這種復(fù)合結(jié)構(gòu)納米棒陣列比單純的ZnO納米棒陣列薄膜具有更強的光催化活性。這是由于光生電子通過CdS傳輸?shù)絑nO納米棒的導(dǎo)帶,從而使光生空穴和電子就得到了有效的分離。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)將有望在光催化,光電池及太陽能轉(zhuǎn)換材料的研究等方面得到應(yīng)用。
　　 通過簡單的水熱合成法在鋅片基底上一步制備了Co摻雜的鉛筆

8、狀ZnO納米棒陣列。納米棒在基底上均勻分布,取向一致,垂直于基底大面積生長。樣品結(jié)構(gòu)均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),具有高結(jié)晶質(zhì)量,不含其它雜相。隨著Co摻雜濃度的增加,紫外發(fā)射峰強度逐漸下降,近帶隙發(fā)射峰的半峰寬也較純ZnO變寬。拉曼光譜顯示Co的摻雜使納米棒出現(xiàn)了氧空位和鋅填隙本征缺陷。摻雜納米棒陣列的磁滯回線表明樣品具有明顯的鐵磁特征。這種ZnO基稀磁半導(dǎo)體納米棒陣列是一種在自旋電子器件中具有應(yīng)用潛力的納米材料。
　　 采用水熱法制備

9、了Ag負載的ZnS納米線,對所合成的納米線的結(jié)構(gòu)、形貌以及光學(xué)性能進行了表征。研究了所制備的納米線的光催化性能,討論了ZnS/Ag納米線光催化降解的機理。研究表明,ZnS/Ag復(fù)合納米線比單純的ZnS納米線具有更強的光催化活性。經(jīng)過60min紫外光照,甲基橙脫色率可達到97.07％。這是由于Ag的加入,使電子不斷向Ag遷移,減少了光生電子和空穴的復(fù)合,提高了光催化劑的活性。這種貴金屬復(fù)合半導(dǎo)體納米材料的方法將進一步拓展半導(dǎo)體在光電能量轉(zhuǎn)

10、化領(lǐng)域中的應(yīng)用。
　　 (3)基于一維金屬氧化物半導(dǎo)體納米材料的輻射探測器件研究利用低溫水熱法,在金叉指微電極陣列中,制備了網(wǎng)絡(luò)狀的ZnO納米棒紫外光電導(dǎo)型探測器。對該探測器在紫外光照下的Ⅰ-Ⅴ特性以及光電響應(yīng)特性進行了測試研究。ZnO納米棒之間相互接觸搭橋在電極之間,有利于電子在其內(nèi)部進行傳輸,使電子能夠擴散,傳遞變得更加迅速,有利于光電流的快速收集。我們的結(jié)果表明這樣的納米結(jié)構(gòu)具有制備簡便、廉價、高響應(yīng)度等優(yōu)點,在大面積電子

11、元件以及集成納米光子和納米電子器件方面具有重要的應(yīng)用前景。
　　 在FTO(F摻雜SnO2)基底上制備出大面積緊密排列,垂直生長的ZnO納米棒陣列?；谶@種納米棒陣列,研制出具有良好的可重現(xiàn)性、大光電流(在0.4V電壓下約為6.71mA)的高靈敏度紫外光電探測原型器件。這種大的光電流以及歐姆Ⅰ-Ⅴ特性歸因于在紫外光照下,納米棒與金電極之間肖特基勢壘寬度變窄以及ZnO納米棒之間勢壘的降低。光響應(yīng)曲線可擬合為指數(shù)函數(shù)曲線,弛豫時間常

12、數(shù)代表了在光生空穴與氧負離子結(jié)合的過程中電子的累積過程。這種低成本化學(xué)合成的高度有序排列的ZnO納米結(jié)構(gòu)可以用于構(gòu)建性能優(yōu)異的納米電子器件。
　　 利用簡單的水熱合成方法,制備了CeO2納米線。對產(chǎn)物進行了形貌和結(jié)構(gòu)表征并研制出基于這種CeO2納米線水溶液的一種新型γ射線液體輻射劑量計。結(jié)果表明,這種CeO2納米線水溶液輻射劑量計對γ射線具有很高的靈敏度,檢測劑量小于傳統(tǒng)化學(xué)劑量計的檢測限1000μGy,且在20μGy到500μ