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一维结构ZnO与纳米TiO_2的异质结构建及光电性能研究

田晓亮  
【摘要】: ZnO和TiO_2作为两种重要的无机半导体材料,在太阳能电池、传感、光学发射、催化和光催化等领域拥有广阔的应用前景。其中,在应用过程中主要以半导体纳米粒子粉体和纳米粒子薄膜为主,以至于材料的结构相对简单,这在一定程度上限制了材料性能的提高。因此,提出了构建一维结构ZnO与纳米TiO_2的复合材料。这种复合薄膜既保留了原有纳米粒子薄膜的性质,又具有了一维阵列的特性,有望改善材料的光电性能。本论文重点研究了ZnO与TiO_2复合材料的合成条件和影响ZnO薄膜结构的主要因素,以及薄膜的润湿性能和发光特性。 利用低温水热法实现了一维结构ZnO在纳米TiO_2薄膜上的可控沉积,实现了异质结复合材料的构建。首先,通过浸渍提拉和旋涂的方法在ITO玻璃上固定一层溶胶-水热法制备的TiO_2纳米粒子,得到TiO_2纳米粒子薄膜。将纳米TiO_2薄膜放入硝酸锌和六亚甲基四胺的密封水溶液体系中,获得一维结构ZnO与TiO_2的复合薄膜。主要研究反应时间、反应温度和反应物浓度对薄膜结构的影响,探讨了一维ZnO纳米棒的合成机制和纳米棒阵列的形成原因。结果发现:低的反应物浓度有利于ZnO纳米棒长径比的提高,不利于ZnO纳米棒取向的改善;长的反应时间和高的反应物浓度更加有利于具有良好取向的ZnO纳米棒阵列的形成。 其次,通过浸渍提拉的方法在玻璃基底上制备了两种不同表面结构的TiO_2薄膜,即介孔TiO_2薄膜和非介孔TiO_2薄膜,利用同上的水热过程在TiO_2薄膜上合成ZnO阵列,考察了TiO_2纳米结构薄膜的表面微结构和组成对ZnO纳米棒阵列形成的影响,结果发现介孔薄膜上能获得择优取向更好的ZnO纳米棒阵列。而且,对介孔TiO_2薄膜上ZnO纳米棒可能的形成机制进行了讨论。 润湿角和光致发光性能测试表明,TiO_2纳米粒子薄膜本身不具有超亲水性,一定沉积条件下的复合薄膜却表现出了超亲水性,这主要归因于TiO_2底膜和ZnO纳米棒阵列之间空隙的共同作用。复合薄膜能够表现出非常强的近紫外发光信号和相对较弱的绿发光带。这两类发光强度分别与一维结构ZnO的结晶度和表面氧空位量有关。


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