氧化鋅-基納米薄膜的制備與性能研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種寬禁帶直接帶隙Ⅱ-Ⅵ族的具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導體功能材料，室溫下禁帶寬度ER為3.37eV，激子束縛能高達60mev，并具有良好的化學穩(wěn)定性及優(yōu)良的抗氧化、耐潮、耐高溫性能，使得它成為一種很有前途的紫外光電子器件材料。ZnO納米材料特別是高度取向排列的ZnO納米棒陣列，具有獨特的電學、光學性能和大比表面積等優(yōu)點，在發(fā)光、催化、壓電傳感器、氣體傳感器和太陽能電池等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。 在適當?shù)闹苽涔に嚭蛽诫s

2、條件下，ZnO薄膜表現(xiàn)出良好的低阻特征。摻雜Al的ZnO薄膜(ZAO)尤其是c-軸擇優(yōu)取向的ZAO薄膜具有很好的導電特性，而且具有與ITO薄膜相比擬的對可見光的高透過率和高電導，又因其在氫等離子體中的高穩(wěn)定性等優(yōu)點，ZAO薄膜己成為替代ITO透明導電薄膜的很有發(fā)展前景的材料，在太陽能電池、傳感器、壓電器件、液晶顯示器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。 本論文主要內(nèi)容以及創(chuàng)新點如下: 1、兩步法制備ZnO納米棒及其PL發(fā)光性能的研究(1

3、)第一步利用溶膠凝膠法在玻璃基底上制備一層(002)擇優(yōu)取向、均勻致密的ZnO種子層薄膜。研究了溶液濃度、旋涂工藝、熱處理工藝等工藝參數(shù)對ZnO薄膜晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌的影響。溶膠濃度在0.75M/L、旋涂速度為4500r/min、預(yù)熱處理溫度為250℃(10min)然后快速升溫至500℃(1h)的后退火工藝，制備的ZnO薄膜(002)擇優(yōu)、晶粒尺寸均勻(50-60nm)、薄膜表面均勻平整度好，薄膜厚度約為40nm。 (2) 第二

4、步利用改進的水熱法在種子層基底上生長znO納米棒。我們創(chuàng)新性的在生長液中加入了聚乙烯亞胺(PEI)作為蓋帽劑，PEI是一種非極性的陽離子聚合物，有大量的氨基團(-NH2)組成，對ZnO納米棒的表面形貌起到了很強的改善作用。研究了生長液濃度、添加劑、生長時間等工藝條件對ZnO納米棒表面形貌(直徑、棒間距、棒的長度等)的影響。在60ml的0.05M生長液中加入5mlPEI，生長3h，得到了(002)高度擇優(yōu)、直徑在40nm、長度為2.5μm

5、的垂直于基底生長的納米棒陣列。我們把PEI對納米棒表面形貌的作用歸因于ZnO的極化特性和PEI在納米棒各個面上的不同的吸附性，帶正電的PEI分子會吸附在納米棒的側(cè)面，從而抑制納米棒橫向生長。 (3)研究了PEI、熱處理工藝對ZnO納米棒PL發(fā)光性能的影響，并探討了不同退火溫度下紫外發(fā)光和可見光區(qū)發(fā)光的強度變化以及發(fā)光原因。結(jié)果表明:在空氣中退火，最佳退火溫度為350℃，低于350℃時，紫外發(fā)光強度隨著退火溫度的增加而增加，這是由

6、于隨著退火溫度的升高，O-H和N-H不斷蒸發(fā)裂解造成的，而且N-H對發(fā)光影響非常大。在高于350℃時，紫外發(fā)光強度隨著退火溫度增加而減弱，可見光區(qū)發(fā)光強度不斷增強，這是由于形成不同的本征缺陷造成的。 2、摻雜Al的ZnO(ZAO)薄膜的制備與電學性能的研究(1)利用溶膠凝膠法在玻璃基片上制備(002)擇優(yōu)取向、低電阻率的ZAO薄膜。運用XRD、SEM、AFM、四探針測試儀等測量手段對薄膜的結(jié)構(gòu)和電學特性進行了表征。 (2