ZnO低維材料的液相化學法制備、摻雜及生長機制研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是近年來研究最為廣泛的半導體材料之一．作為一種典型的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶金屬氧化物半導體，ZnO的禁帶寬度達到3.4eV，因此具有出色的短波長發(fā)光能力；高達60meV的激子束縛能更使其成為最具潛力的室溫藍紫光發(fā)射材料。除了光電性能之外，ZnO還擁有優(yōu)良的氣敏、壓電、透明導電等諸多物理化學特性，同樣是各領域研究的重點。此外，ZnO是對人體完全無毒的綠色材料，其在生物方面的應用也極具潛力。隨著納米技術和薄膜技術的飛速發(fā)展，研究發(fā)現

2、獨特的極性晶體結構使ZnO具有形態(tài)各異的納米結構，并隨之產生許多奇特的光學特性和量子效應，極大的提高了器件的性能。因此，ZnO低維材料的應用研究已經成為當前的熱點，具有重要的實際意義。
　　 目前，高質量薄膜和納米結構的制備已經成為ZnO實現應用的重要環(huán)節(jié)。液相化學方法更低廉的價格和其在納米材料合成方面的優(yōu)勢逐漸引起了研究的重視。然而，薄膜的質量提高、特殊納米結構的可控定制生長和摻雜工藝一直是液相制備研究中亟待解決的問題，生長機

3、制也仍不明確，限制了ZnO低維器件的大規(guī)模應用。
　　 本文利用溶膠-凝膠法、反膠束微乳液法及水熱法等多種液相化學方法制備了不同生長取向和Al元素摻雜的ZnO納米顆粒薄膜，及中空納米結構等低維材料，并結合實驗的物理化學過程系統(tǒng)分析了其中的生長機制。
　　 使用溶膠-凝膠法在非晶玻璃襯底上制備了c軸擇優(yōu)取向生長的ZnO薄膜，薄膜為眾多納米顆粒構成的納米顆粒薄膜。通過反應過程的化學分析和熱分析認為，膠體顆粒表面較多的-OH基

4、團保證了溶膠體系良好分散性和穩(wěn)定性，也是膠體顆粒在非晶襯底上有序排列的重要因素；工藝參數的研究顯示，ZnO納米顆粒薄膜的取向在熱處理過程中經歷了從隨機取向到c軸擇優(yōu)取向的演變過程，涂膜過程中的預處理方式對薄膜的c軸取向程度也存在影響；分析認為，極性ZnO納米晶粒之間由偶極相互作用引起的自組裝排列是其在非晶襯底上c軸擇優(yōu)取向生長的原因，溫度梯度較大的預處理方式形成自下而上的種子生長模式使薄膜的c軸取向程度更高。
　　 首次使用反膠

5、束微乳液方法結合旋轉涂膜技術在非晶玻璃襯底上制備了a軸擇優(yōu)取向生長的ZnO薄膜。前驅溶液的FT-IR和TG-DTA顯示，當熱處理溫度高于ZnO的形核點時，仍有表面活性劑CTAB的存在，說明了ZnO微晶在CTAB膠束中的形核過程；SEM和AFM顯示，薄膜具有島狀生長模式，反膠束微乳液中水相比例的增加可以提高晶粒的分散性，減小晶粒尺寸；根據溶液中極低的Zn2+濃度分析認為，晶粒間較大的距離和CTAB的包覆有效削弱了偶極的相互作用，致使ZnO

6、晶粒的非極性a軸晶面更容易與非極性玻璃襯底結合，并形成薄膜的a軸擇優(yōu)取向生長；PL光譜顯示，與單晶體襯底上生長的非極性ZnO薄膜相比，非極性襯底上生長的薄膜具有更小的應力和更好的結晶性。
　　 使用溶膠-凝膠法分別在非晶石英和Si(100)襯底上制備了雜質含量為1-10at.％的Al∶ZnO薄膜。XRD和變溫電阻測試表明，Al含量為2at.％時，薄膜具有最高摻雜水平；SEM顯示，Al含量的增加使薄膜的平均晶粒尺寸明顯減??；能譜面

7、掃描顯示，未進入ZnO晶格的Al成分在晶界上形成了富集；分析認為，未形成摻雜的Al原子以非晶Al2O3的形式在ZnO晶界上形成了對晶界運動的釘扎，導致晶粒尺寸的減??；雜質含量增加與晶粒細化的競爭使Al在ZnO薄膜中的摻雜水平存在極限。
　　 使用新穎的微乳水熱方法，以反膠束微乳液中的水核為模板，利用溶膠在其表面的強制水解結合水熱結晶制備了ZnO中空納米結構。研究表明，溶膠的過量加入使水核模板在前驅水解產物的包覆下全部沉淀，表面活