氧化鋅微納結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)及其壓電器件研究.pdf

1、博士學(xué)位論文氧化鋅微納結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)及其壓電器件研究GrowthofZincOxideMicro／nanostructuresandTheirApplicationsinPiezoelectricDevices作者姓名：旦主學(xué)科、專業(yè)：邀魚王堂皇固鮭電王堂學(xué)號(hào)：11002024指導(dǎo)教師：塑主L蟲麴援完成日期：星Q!墨生墨旦大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要氧化鋅(ZnO)是一種多

2、功能寬帶隙(337eV)IIⅥ族氧化物半導(dǎo)體材料，室溫下的激子束縛能高達(dá)60meV。ZnO還具有良好的熱穩(wěn)定性和生物兼容性，無毒無污染，是一種綠色環(huán)保型材料。由于ZnO具有獨(dú)特的力、熱、光、電性質(zhì)，使得它在光學(xué)、電子學(xué)、光電子學(xué)等各領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。尤其是ZnO還具有半導(dǎo)體和壓電的耦合特性，而這一點(diǎn)正是構(gòu)造壓電式納米器件的基礎(chǔ)。目前，許多基于一維ZnO微納米結(jié)構(gòu)的壓電器件(比如：壓電場(chǎng)效應(yīng)晶體管、壓電諧振器、壓電應(yīng)力傳感器和納米壓電

3、發(fā)電機(jī)等)紛紛地被研制出來，并且在微納機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)醫(yī)療、微納能源循環(huán)利用和自供電(selfpowered)微納系統(tǒng)等領(lǐng)域顯示出了重要而廣泛的應(yīng)用前景，極大地推動(dòng)了納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。本論文圍繞著一維ZnO微納米結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)，及其壓電納米發(fā)電機(jī)和壓電應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)和制備等有關(guān)問題，開展了一系列研究工作，主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分：(1)采用低溫水溶液法在普通的纖維紙襯底上生長(zhǎng)ZnO納米棒，并對(duì)其進(jìn)行了x射線衍射()(】m)、掃描電

4、子顯微鏡(sEM)和光致發(fā)光譜(PL)等的測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生長(zhǎng)的ZnO納米棒具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的特征，分布均勻，且取向性較好。此外，分析了低溫水溶液法生長(zhǎng)ZnO納米棒的機(jī)理，并且通過改變和控制其生長(zhǎng)條件(籽晶層、先驅(qū)溶液濃度、生長(zhǎng)時(shí)間等)實(shí)現(xiàn)了紙襯底上ZnO納米棒的可控性生長(zhǎng)，為柔性壓電器件的制備打下了良好的基礎(chǔ)。(2)成功地研制出一種基于紙襯底的交流納米發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的核心部分是長(zhǎng)有ZnO納米棒的柔性纖維紙。通過不斷地彎曲

5、一恢復(fù)這種柔性發(fā)電器件，可產(chǎn)生交變的壓電信號(hào)，其輸出電壓和電流分別為10mV和10nA。并且，通過改變應(yīng)變率可以自由控制發(fā)電機(jī)的電輸出模式。除此之外，該納米發(fā)電機(jī)也可以作為一個(gè)自供電的振動(dòng)傳感器使用，不但可以收集周圍環(huán)境中隨時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能量，還可以對(duì)于生活中遇到的一些突發(fā)事件給予監(jiān)測(cè)和報(bào)警。(3)為了提高納米發(fā)電機(jī)的輸出性能，采用兩次水溶液生長(zhǎng)法在聚酯纖維面料(TFs)基底上生長(zhǎng)了ZnO納米棒，并成功制備了基于TFs的新型交流納米發(fā)電機(jī)