氧化鋅和銀基電子材料的制備及應(yīng)用研究.pdf

1、為了適應(yīng)整流二極管和光電轉(zhuǎn)換器件等電子元器件輕薄化、柔性化等發(fā)展趨勢(shì)，電子材料的研制成為材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一?；诓牧系奈锢砗突瘜W(xué)特性，輔以功能實(shí)現(xiàn)方式和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是構(gòu)建新型電子元器件的基本思路，可解決其目前面臨的問(wèn)題以滿足未來(lái)的發(fā)展要求。以此為主題，本論文分為兩部分，第一部分利用兩種液相法設(shè)計(jì)并制備了具有不同禁帶寬度的氧化鋅材料，用于組裝異質(zhì)結(jié)整流二極管。第二部分制備了銀基電解質(zhì)材料，利用電解質(zhì)中銀碘離子對(duì)的電化學(xué)和沉淀特性，

2、在PEG環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了整流性能，使離子二極管的構(gòu)建和運(yùn)行過(guò)程擺脫了水體系電解液，實(shí)現(xiàn)了該類器件的全固態(tài)化和柔性化。進(jìn)一步將銀碘體系材料的電化學(xué)性質(zhì)擴(kuò)展到碘化銀光電器件的設(shè)計(jì)，提高了該類器件的運(yùn)行時(shí)間。
　　氧化鋅是一種重要的半導(dǎo)體材料，其電學(xué)性能與禁帶寬度密切相關(guān)。不同的生長(zhǎng)環(huán)境可以使氧化鋅具有不同的雜質(zhì)或缺陷狀態(tài)，造成禁帶寬度間的差異。乳化液膜法和液相直接沉淀法是同屬于沉淀反應(yīng)機(jī)理的兩種液相制備方法，但乳化液膜法因油水界面的存在，

3、不同于液相直接沉淀法。論文根據(jù)乳液界面對(duì)晶核生長(zhǎng)過(guò)程的控制作用，制備了禁帶寬度為2.93 eV的氧化鋅顆粒，利用SEM和XRD研究了顆粒在內(nèi)水相液滴中的生長(zhǎng)過(guò)程，證明油水界面的存在限制了顆粒的尺寸，且內(nèi)水相液滴從3μm增大到5μm時(shí)，顆粒形貌由棒狀轉(zhuǎn)變成片狀。利用XRD和界面張力測(cè)試證實(shí)油水界面上的表面活性劑會(huì)吸附于顆粒的表面，使制得的氧化鋅顆粒存在雜質(zhì)或缺陷。該氧化鋅顆粒和液相直接沉淀法制各的氧化鋅顆粒具有相近的晶體結(jié)構(gòu)，但禁帶寬度相

4、差0.13eV，可形成異質(zhì)結(jié)，將其組裝成三明治結(jié)構(gòu)的二極管，具有整流能力。
　　無(wú)機(jī)半導(dǎo)體二極管的發(fā)展已經(jīng)接近其物理極限，因此以離子二極管作為其替換或補(bǔ)充的下一代整流器件具有極大的研究?jī)r(jià)值。但離子二極管強(qiáng)烈依賴水體系電解液，水的易揮發(fā)性和高溫不穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用范圍。為解決此問(wèn)題，選用具有解離能力和離子傳導(dǎo)能力且物化性質(zhì)穩(wěn)定的聚乙二醇(PEG400)為電解質(zhì)溶劑，提出利用易電解且相互沉淀的離子對(duì)實(shí)現(xiàn)整流功能的新方法，將AgNO3電

5、解質(zhì)和LiI電解質(zhì)分置于多孔分隔膜兩側(cè)組裝成三明治結(jié)構(gòu)離子二極管。在正向偏壓下，兩側(cè)的銀離子和碘離子相背運(yùn)動(dòng)到各自相鄰電極上發(fā)生電解反應(yīng)產(chǎn)生電流，器件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。電場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)后，銀離子和碘離子將轉(zhuǎn)換為相向運(yùn)動(dòng)，因在接觸界面處發(fā)生沉淀反應(yīng)而無(wú)法到達(dá)對(duì)電極發(fā)生對(duì)稱的電解反應(yīng)，而電極上惰性的NO3-和Li+在低電壓下難以電解，此時(shí)器件中無(wú)電流產(chǎn)生。因此，器件實(shí)現(xiàn)整流功能，開(kāi)啟電壓為0.3 V，擊穿電壓為-2.7 V，偏壓為1.5 V時(shí)的整流比為

6、40，高于目前大部分離子整流器件，連續(xù)運(yùn)行300個(gè)周期后仍具有整流能力。這種利用液態(tài)電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)整流功能的方法可用于多種無(wú)機(jī)化合物或者有機(jī)化合物的組合。
　　PEG的固液狀態(tài)可根據(jù)其分子量大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用這種性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)的固態(tài)化。高分子量PEG強(qiáng)度較差，難以自支撐，利用紙纖維為支撐材料可以解決這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)材料的柔性化?；诖耍撐睦肞EG20000為電解質(zhì)環(huán)境、紙纖維為支撐材料制備出AgNO3和KI的柔性固態(tài)電解

7、質(zhì)材料，并組裝成離子二極管。這種二極管在±1 V下的整流比為46，可承受大幅彎曲(彎曲半徑15 mm)，且耐受800次以上的連續(xù)彎曲。電解質(zhì)材料的固態(tài)化可以減弱離子的擴(kuò)散，使器件的靜置壽命達(dá)32天。
　　銀-碘材料間的電化學(xué)性質(zhì)可以擴(kuò)展到光電轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)該器件因碘化銀的光化學(xué)反應(yīng)不可逆而造成的運(yùn)行壽命短（數(shù)分鐘）的問(wèn)題，結(jié)合銀碘化學(xué)電池和染料敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，以沉積了碘化銀膜的導(dǎo)電玻璃為光電極，鉑電極為對(duì)電極，

8、I-/I3-的碳酸丙烯酯溶液為電解液，在兩電極間加入遮光板構(gòu)建了碘化銀光電轉(zhuǎn)換器件。利用碘化銀在光照下生成單質(zhì)銀的能力，使器件轉(zhuǎn)變成銀碘化學(xué)電池體系輸出電流，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)單質(zhì)銀在碘離子的存在下被氧化，實(shí)現(xiàn)碘化銀的再生。理論上器件在運(yùn)行過(guò)程中不存在反應(yīng)物的消耗。使用氙燈在100 mW/cm2的光強(qiáng)度下照射，器件在長(zhǎng)達(dá)47小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中光電效應(yīng)始終存在，對(duì)光開(kāi)關(guān)的階躍響應(yīng)時(shí)間約1.2秒，光電流密度約0.7μA/cm2。遮光板防止