電解液濃度及沉積時(shí)間對陰極電沉積法制備ZnO薄膜的微結(jié)構(gòu)及性能的影響.pdf

1、纖鋅礦半導(dǎo)體ZnO在近十年吸引了大量的注意，寬禁帶(3.37eV)，很大的結(jié)合能(60meV)等特點(diǎn)使其在光電、鐵電、熱電、壓電、催化、傳感等領(lǐng)域有著突出的表現(xiàn)和很好的應(yīng)用前景。針對其不同的形狀、尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、晶體形狀和應(yīng)用，ZnO有著不同的合成方法。其中陰極電沉積法合成ZnO薄膜具有迅速、廉價(jià)和可重復(fù)性高等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。本文使用陰極電沉積法在ITO導(dǎo)電玻璃上沉積了ZnO薄膜，并利用X射線衍射儀(XRD)、掃

2、描電子顯微鏡(SEM)、激光顯微共聚焦拉曼光譜儀、紫外可見分光光度計(jì)（UV-Vis）等測試儀器，研究了電解液濃度、沉積時(shí)間對ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、光學(xué)性質(zhì)、光催化性能和親水性能的影響。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)沉積電壓、時(shí)間、水浴溫度等條件都確定，只改變電解液(Zn(NO3)2溶液）的濃度時(shí)，可以沉積得到微結(jié)構(gòu)、形貌、光學(xué)性質(zhì)、親水性都各不相同的ZnO薄膜。XRD結(jié)果顯示，所有濃度下制備所得的ZnO薄膜均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，且都呈現(xiàn)出

3、了002方向的擇優(yōu)取向生長;隨著電解液濃度的增加，ZnO薄膜沿著002方向的擇優(yōu)取向有所增強(qiáng);經(jīng)過對每個(gè)樣品三強(qiáng)峰的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)樣品的平均晶粒尺寸隨著電解液濃度的增加而略微有所減小。SEM結(jié)果顯示，所有樣品都生長為納米錐形狀，且隨著電解液濃度的增加，納米錐的傾斜度和密度都隨之增加，說明樣品表面的非極性面也隨之增加。光致發(fā)光(PL)光譜結(jié)果顯示，ZnO包含著狹窄的紫外發(fā)光峰和較為寬闊的可見光發(fā)光峰;隨著電解液濃度的增加，ZnO的本征發(fā)光峰（

4、紫外發(fā)光峰）減小，而缺陷導(dǎo)致的發(fā)光峰（可見光發(fā)光峰）在增加，說明ZnO薄膜的內(nèi)的缺陷在增加，而本征激發(fā)的光被抑制。拉曼圖譜的分析表明，ZnO薄膜在這些條件下呈現(xiàn)439cm-1，569cm-1，和1103cm-1三處特征峰，分別對應(yīng)于ZnO的E2光聲子振動模、E1L光聲子振動模和ZnO單晶的E3振動模。親水性表征可以發(fā)現(xiàn)，在紫外光照前，樣品均表現(xiàn)為疏水性，薄膜表面液滴接觸角為108°-118°，而在經(jīng)過1h的紫外光照后，樣品浸潤性均轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

5、親水性;不同電解液濃度下制備的ZnO薄膜樣品的親水性略有不同。光學(xué)性質(zhì)分析表明，隨著電解液濃度的增加，樣品的吸收系數(shù)隨之減小;經(jīng)過直線擬合可以得到樣品的禁帶寬度，發(fā)現(xiàn)樣品的禁帶寬度隨著電解液濃度的增加而增加，且逐漸逼近標(biāo)準(zhǔn)值3.37eV。光催化表征表明，所有樣品對甲基橙都有明顯的光降解作用，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，不同電解液濃度下制備的ZnO薄膜的光降解的效率，表觀反應(yīng)速度都在變化。
　　當(dāng)其他條件都相同，僅改變陰極電沉積制備ZnO薄膜

6、的反應(yīng)時(shí)間，制備出的一組ZnO薄膜的微結(jié)構(gòu)、表面形貌和光學(xué)性質(zhì)等也有很大的變化。XRD結(jié)果表明，所有的樣品都呈現(xiàn)出了六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，在沉積時(shí)間為10min時(shí)，ZnO薄膜并未表現(xiàn)出明顯的擇優(yōu)取向生長，而在10min以上的沉積時(shí)間里，ZnO都呈現(xiàn)出了明顯的002方向的擇優(yōu)取向生長，且隨著電沉積時(shí)間的增加，這種擇優(yōu)取向生長方式還在加強(qiáng)。通過對XRD的數(shù)據(jù)分析得到的平均晶粒尺寸可以知道，隨著電沉積時(shí)間的增加，ZnO薄膜的平均晶粒尺寸在不斷的增加

7、。SEM結(jié)果表明，隨著電沉積時(shí)間的增加，ZnO薄膜表面的納米結(jié)構(gòu)由稀薄變得越來越致密，由10min時(shí)較不規(guī)則的納米柱生長漸漸生長為規(guī)則的六方納米錐形貌，且在沉積時(shí)間中，新的結(jié)核點(diǎn)不斷的出現(xiàn)在薄膜表面。通過分析ZnO薄膜的光致發(fā)光圖譜，可以發(fā)現(xiàn)ZnO此時(shí)也包含著狹窄的紫外發(fā)光峰和寬闊的可見發(fā)光區(qū)峰，而薄膜的紫外發(fā)光峰隨著電沉積時(shí)間的增加而不斷增加。拉曼結(jié)果分析表明，ZnO薄膜主要呈現(xiàn)了439 cm-1，569 cm-1，和1103 cm-