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ZnO纳米结构的溶液法合成及生长机理研究

贺冠南  
【摘要】: 人类历史的发展过程其实就是人们对材料的研究和开发利用过程,从石器时代的砾石到信息社会晶体硅的发展过程就是人类文明史的发展过程。在当今飞速发展的新世纪,人们对新型材料的需求与日俱增,对材料性能的要求也越来越苛刻.由于量子尺寸效应使得纳米材料在物理和化学性质方面表现出不同于体材料的特性。这些新奇特性也使得纳米材料在微电子学、光电子学、非线性光学、高密度信息存储、催化、储氢、生物医学以及传感探测等方面都存在着广泛的应用前景。 ZnO作为一种多功能宽禁带半导体材料,不仅具有优异的光学和电学性能而且拥有多种不同形貌的纳米结构,ZnO也被认为是在所有半导体氧化物中可能拥有最多纳米结构的材料。研究开发利用ZnO纳米材料的独特性能也成为很有意义的研究热点。目前,虽然不少研究小组已经制备出各种不同结构的ZnO纳米材料,但是,对于ZnO纳米材料的可控生长和特性研究工作仍存在着一些问题:如目前制备质量较高的ZnO纳米材料一般需要MOCVD或MBE等较昂贵的设备,这就限制了ZnO纳米材料的潜在应用;对于不同ZnO纳米结构的特性的研究也有待进一步深入;在制备ZnO纳米材料中,仍不能很好的实现纳米结构的可控生长等等。 围绕着ZnO纳米材料的可控生长及特性研究,本论文开展了以下几方面的研究工作: 利用简单的溶液法制备出高质量的ZnO纳米材料,通过控制溶液的pH值,溶液浓度制备出不同结构的ZnO纳米晶体,包括纳米垛、纳米片、纳米棒、纳米花,通过SEM、XRD、透射谱、光致发光谱(PL)和电子能谱(EDS)对不同的ZnO纳米材料的表面形貌、晶体结构及性能进行研究,分析不同ZnO纳米结构的性能差异,探讨其在器件方面的应用潜力。对制备后的ZnO晶体进行退火处理,通过比较分析SEM、XRD、光致发光谱(PL)的测试结果,讨论退火对晶体结构和性能的影响,探索晶体的优化制备工艺参数。 通过对不同衬底上制备的ZnO纳米结构的研究,讨论衬底对ZnO纳米材料取向的影响,并在Au/SiO_2/Si衬底上制备出取向高度一致,垂直于衬底生长的ZnO纳米棒阵列,并且ZnO纳米棒排列紧密,均匀性好。此结构在器件方面具有较大的应用潜力。 对ZnO纳米晶体的生长机理进行了研究,得出ZnO在溶液中的生长过程,即包括晶核的形成以及成核后的晶体生长。并给出了控制成核速率和某一方向晶体生长速率的方法,从而达到控制晶体形貌和结构的目的。 本论文在ZnO纳米材料的可控生长和特性研究方面进行了一些有益的探索,获得以下结果:利用简单的实验方法制备出不同结构的高质量的ZnO纳米材料;分析比较了不同ZnO纳米结构的性能,并结合性能讨论不同结构的ZnO纳米材料在器件应用方面的潜力;通过分析溶液中ZnO纳米晶体的生长机理,探索出了一套ZnO纳米材料的可控生长技术;探讨了ZnO纳米晶体质量的优化技术;利用简单的溶液法制备出取向高度一致,垂直于衬底生长的ZnO纳米棒阵列,这种结构具有较大的应用潜力。


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