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FTO导电玻璃和Al_2O_3蓝宝石衬底上掺钴氧化锌的制备和研究

张万成  
【摘要】:氧化锌(ZnO),室温条件的稳定结构状态为六角铅锌矿结构,II-VI族半导体材料,具有优秀的物理化学性质,因为其优秀的量子转换效率和光催化性能,在染料敏化太阳能电池和光催化剂等方向上一直是研究的热点。而且,ZnO与同是研究热点的半导体材料TiO_2相比有着更多的晶体结构,也就相对而言有更多的特性值得我们去研究和探索。本文主要进行了两个系列的水热法制备氧化锌实验:(1)六次甲基四胺和二水乙酸锌(Zn(CH_3COO)_2.2H_2O)1:1摩尔配比为前驱体通过改变衬底材料,前驱液的浓度,水热反应的温度,退火处理等方向来探索不同形貌结构下的氧化锌的光学和形貌特性。(2)同样以六次甲基四胺(C_6H_(12)N_4)和二水乙酸锌(Zn(CH_3COO)_2.2H_2O)1:1摩尔配比为前驱体,再对前驱体进行不同浓度的钴(Co(CH_3COO)_2.4H_2O)掺杂(摩尔配比为乙酸钴/二水乙酸锌=1%,3%,5%,7%,9%),研究钴掺杂浓度对氧化锌的性质和形貌的改变。通过对实验的X射线衍射,光致发光,能谱,扫描电镜测试与分析研究,我们获得了以下成果:(1)在氧化锌材料的水热制备中,蓝宝石衬底由于其优秀的物理化学性质,与半导体氧化锌有较小的晶格系数失配率,可以生长出相对采用导电玻璃衬底更优秀发光性能的氧化锌材料。(2)在水热反应制备氧化锌过程中,前驱液的浓度决定了纳米氧化锌的生长厚度,而材料厚度的区别也就造成制备的氧化锌材料的性质受衬底材料的影响差别。(3)水热反应的温度直接决定了水热反应的剧烈程度,而水热反应的剧烈程度也就影响了氧化锌材料的发光性质和形貌差别,从100度到120度再到150度,随着温度的升高,水热反应愈加剧烈,氧化锌形貌有一个由六方“杆”状结构开花成“花束”型材料,再开花成“花球”型结构的过程。(4)对制备清洗干燥后的氧化锌材料350度1.5小时退火后,高温条件下让氧化锌材料的缺陷增多,紫外峰发生蓝移,发光强度反而变弱,(5)水热法对不同钴百分比掺杂氧化锌的制备,从X射线衍射和光致发光图中我们可以看到我们对氧化锌进行优秀的掺杂实验,而且成功实现了对制备的纳米氧化锌的改性。而且从不同钴掺杂浓度的氧化锌SEM图中可以观察分析到,钴的掺杂会使氧化锌的水热反应剧烈程度有所缓和,缓和程度和掺杂浓度成正比关系,这一点和前面的发光测试中随着掺杂浓度的增加氧化锌的发光变弱的前期结论相吻合,高浓度的乙酸钴掺杂使得氧化锌的水热反应程度减弱,乙酸锌未形成六方立体结构,而使发光程度减弱。成功实现了钴金属离子对氧化锌掺杂后的形貌控制和特性研究,实现了氧化锌从“针”状结构向六方“杆”状结构成长的过程。


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