仿生制備金屬氧化物微納分級結(jié)構(gòu)及其性能研究.pdf

1、微納結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的多級結(jié)構(gòu)和較大的表面積，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在組裝光電器件時(shí)可以有效增加入射光的吸收，同時(shí)納米結(jié)構(gòu)可以有效提高光電分離效率，在光伏等光電器件領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。當(dāng)前制備金屬氧化物微納結(jié)構(gòu)的方法有很多，如溶液法、模板法、光刻法、溶膠-凝膠和靜電紡絲法等，但缺乏低成本、高質(zhì)量、步驟簡單的制備方法。同時(shí)，大自然界中有很多天然的微納層次結(jié)構(gòu)，如蝴蝶的翅膀、硅藻殼體、荷葉、蜘蛛絲、玫瑰花瓣等，這些奇異的結(jié)構(gòu)賦予其特殊的表面及其他功能特性

2、。最近，江雷等人發(fā)現(xiàn)了“花瓣效應(yīng)”，使得新鮮玫瑰花瓣表面的微納層次結(jié)構(gòu)，及其超疏水和高粘附性的特性受到廣泛的研究。通過仿生制備類似玫瑰花瓣表面結(jié)構(gòu)，是制備半導(dǎo)體氧化物微納結(jié)構(gòu)制備的新方法：我們通過對天然花瓣表面結(jié)構(gòu)的復(fù)制和轉(zhuǎn)移，即可得到可重復(fù)和穩(wěn)定的微納層次結(jié)構(gòu)。
　　在眾多半導(dǎo)體氧化物材料中，ZnO由于具有3.37ev的直接帶隙和60 meV的激子束縛能，使其成為制備光電器件最前途的明星材料。特別是基于ZnO納米結(jié)構(gòu)制備高效的光

3、電探測和轉(zhuǎn)換器件，一直是納米光電子學(xué)的研究熱點(diǎn)。在本論文中，我們期待能夠?qū)⒚倒灞砻娴奶烊晃⒓{結(jié)構(gòu)與 ZnO一維納米結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，通過簡單的復(fù)制轉(zhuǎn)移以及濕化學(xué)生長的方法，制備新型 ZnO微納結(jié)構(gòu)，同時(shí)探索該微納結(jié)構(gòu)的表面性質(zhì)，通過簡單的電極構(gòu)筑，組裝成初步的可測試器件，研究其微納結(jié)構(gòu)與光電性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)，期望構(gòu)筑具有表面超疏水、自清潔，同時(shí)具有較高響應(yīng)的光電功能材料。
　　基于上述思路，我們開展了以下三個(gè)方面的研究工作：
　　

4、一、玫瑰花瓣上ZnO納米結(jié)構(gòu)的組裝：利用天然玫瑰花瓣作為模板，利用低溫水熱法在花瓣表面組裝ZnO納米結(jié)構(gòu)，在玫瑰花瓣表面得到了結(jié)晶性良好的ZnO納米棒陣列。通過改變水熱生長時(shí)間得到了不同形貌和結(jié)構(gòu)的玫瑰/ ZnO微納結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)ZnO納米結(jié)構(gòu)的組裝和天然生物基底的失水現(xiàn)象使得原來玫瑰花瓣表面的超疏水和高粘附特性消失；光電性質(zhì)測試表明，所組裝的玫瑰花瓣/ ZnO微納結(jié)構(gòu)對紫外光具有明顯的光電響應(yīng)。
　　二、玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)的復(fù)制以及柔

5、性基底上 ZnO/PDMS微納結(jié)構(gòu)的制備：利用 PDMS固化后高質(zhì)量的復(fù)制能力，通過多步復(fù)制的方法可以得到了玫瑰花瓣的負(fù)型及正型表面結(jié)構(gòu)。具有玫瑰花瓣表面微納結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜，表現(xiàn)出高彈性和良好的透光性，同時(shí)具有玫瑰花瓣的特殊表面潤濕性質(zhì)。在PDMS基底上磁控濺射ZnO種子層并后續(xù)水熱生長ZnO，通過調(diào)整生長條件，在PDMS微納結(jié)構(gòu)上生長了具有不同形貌和結(jié)構(gòu)的ZnO納米結(jié)構(gòu)。在組裝ZnO納米結(jié)構(gòu)后，具有玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)的ZnO/ PDMS

6、復(fù)合材料的表面超疏水性能有所增加，靜態(tài)接觸角達(dá)到164°，同時(shí)具有自清潔性能。我們簡單組裝測試器件，研究了ZnO/ PDMS微納層次結(jié)構(gòu)的紫外光電響應(yīng)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下，ZnO/ PDMS組裝的器件具有1000倍左右的響應(yīng)，可以在柔性透明的紫外光電探測器件中有所應(yīng)用。
　　三、具有玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)的ZnO微納結(jié)構(gòu)及SnO2/ZnO復(fù)合微納結(jié)構(gòu)的制備與性質(zhì)：以負(fù)型PDMS為模板，通過溶膠凝膠法和納米壓印技術(shù)，在硅片基底構(gòu)筑具有類玫

7、瑰花瓣表面結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜，通過ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長，制備ZnO微納層次結(jié)構(gòu)。同時(shí)在類玫瑰花瓣表面結(jié)構(gòu)的SnO2薄膜上組裝ZnO納米結(jié)構(gòu)，制備SnO2/ZnO復(fù)合微納層次結(jié)構(gòu)。通過改變前驅(qū)體溶液的濃度和水熱生長時(shí)間，得到了不同形貌和結(jié)構(gòu)的ZnO微納結(jié)構(gòu)和SnO2/ZnO層次結(jié)構(gòu)，然后利用化學(xué)修飾使該微納結(jié)構(gòu)具有超疏水和自清潔性質(zhì)。光電性質(zhì)測試表明，復(fù)合微納結(jié)構(gòu)的光響應(yīng)都在103量級上，同時(shí)發(fā)現(xiàn)SnO2/ZnO微納層次結(jié)構(gòu)有最短的響應(yīng)時(shí)間