氧化鋅納米結(jié)構(gòu)宏觀體的制備及應(yīng)用.pdf

1、ZnO是重要的直接寬帶隙半導(dǎo)體(室溫下禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV)，在電子和發(fā)光器件上有著巨大的應(yīng)用潛力。而ZnO納米結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出與體材料明顯不同的化學(xué)和物理性質(zhì)，是目前納米材料的研究熱點(diǎn)之一。受宏觀碳納米管的啟發(fā)，本論文介紹了所制備出的具有宏觀尺度的各種不同形貌ZnO納米結(jié)構(gòu)，并對(duì)它們?cè)诠鈱W(xué)、傳感器以及激光等方面進(jìn)行了探索性的研究和應(yīng)用。本論文的主要結(jié)論如下： 1.利用傳統(tǒng)的熱蒸發(fā)法在金屬催化的情況下實(shí)現(xiàn)了

2、ZnO納米結(jié)構(gòu)的宏觀化。這種晶體生長(zhǎng)的熱蒸發(fā)方法不僅制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，而且具有很好的重復(fù)性。在試驗(yàn)中，我們除了合成了超長(zhǎng)的ZnO納米梳，還首次制備出了超長(zhǎng)的ZnO納米桿、納米帶，盡管它們的直徑和厚度只有幾百個(gè)納米，但在長(zhǎng)度上達(dá)到了毫米甚至厘米量級(jí)；同時(shí)我們制備的分形的ZnO宏觀結(jié)構(gòu)，則由大量的納米桿自組裝生成，具有極大的表面比，目前國(guó)際上還沒有這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)相關(guān)的報(bào)道。該宏觀化ZnO納米結(jié)構(gòu)一方面具有納米材料的特性，另一方面又具有宏

3、觀化的形貌，避免了使用復(fù)雜的微操作(諸如使用原子力顯微鏡、電子掃描電鏡)可控性差的缺點(diǎn)，使其易于和傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在光電子器件方面的應(yīng)用。另外我們利用能量彌散光譜、電子掃描電鏡和透射電子電鏡分別對(duì)這些不同形貌的宏觀化ZnO納米材料的形貌、結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行研究，并分析了不同形貌的宏觀化ZnO的生長(zhǎng)機(jī)理。我們發(fā)現(xiàn)Cu和CuO在ZnO納米材料的生長(zhǎng)過程中的由納米尺寸到宏觀尺寸之間的變化起了重要作用。 2.根據(jù)分形的ZnO宏觀結(jié)構(gòu)體具

4、有極大的表面比這一特點(diǎn)，我們制成了相關(guān)的電阻式氣體傳感器和濕度傳感器。通過對(duì)相同濃度的不同氣體(氫氣、氨氣、硫化氫和二氧化氮?dú)怏w)進(jìn)行測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)該氣體傳感器對(duì)硫化氫氣體的反應(yīng)非常敏感：其電阻變化最大。我們又從理論上分析了該傳感器具有如此良好敏感性的原因。另外，我們?cè)趯?duì)分形ZnO羽毛狀宏觀結(jié)構(gòu)的濕度傳感器進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，該濕度傳感器的靈敏度針對(duì)不同濕度的變化，顯示出了較好的線性度。在高濕度時(shí)，線性化趨勢(shì)呈現(xiàn)了輕微波動(dòng)，我們討論了高濕度

5、時(shí)出現(xiàn)這種飽和情況的原因。 3.根據(jù)金屬半導(dǎo)體之間存在肖特基接觸這一理論，我們利用具有大尺寸直徑的單根超長(zhǎng)ZnO納米桿和金屬銀成功制成了肖特基二極管。通過對(duì)該二極管電流一電壓(Ⅰ-Ⅴ)的研究，發(fā)現(xiàn)該工藝解決了以往制備ZnO肖特基二極管時(shí)大直徑的納米帶和納米線與金屬電極存在不良接觸的問題。測(cè)試結(jié)果顯示該二極管具有較好的整流特性。另外，我們分別在不同溫度和濃度的NH3的氣氛中對(duì)這種ZnO二極管電流電壓曲線進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該二極管不僅

6、具有良好的熱穩(wěn)定性而且對(duì)不同濃度的氨氣有較高的靈敏性。最后我們討論了超長(zhǎng)ZnO納米桿與金屬接觸時(shí)產(chǎn)生整流現(xiàn)象的機(jī)理。 4.基于ZnO材料所具有的獨(dú)特光學(xué)及電學(xué)性質(zhì)，我們利用ZnO超長(zhǎng)納米帶制成了新型的激光器。在對(duì)超長(zhǎng)ZnO納米帶表面進(jìn)行氫等離子處理后，通過低壓直流電激勵(lì)，我們首次發(fā)現(xiàn)了受激發(fā)光現(xiàn)象。盡管目前對(duì)于ZnO粉末和異質(zhì)結(jié)電激勵(lì)發(fā)光的研究并不罕見，但這種由n型ZnO單晶經(jīng)過氫等離子處理后發(fā)射激光的現(xiàn)象在國(guó)際上還未有報(bào)道。通過測(cè)試發(fā)