ZnO低維材料的液相化學(xué)法制備、摻雜及生長機(jī)制研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是近年來研究最為廣泛的半導(dǎo)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(dǎo)體，ZnO的禁帶寬度達(dá)到3.4eV，因此具有出色的短波長發(fā)光能力；高達(dá)60meV的激子束縛能更使其成為最具潛力的室溫藍(lán)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(dǎo)電等諸多物理化學(xué)特性，同樣是各領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。此外，ZnO是對人體完全無毒的綠色材料，其在生物方面的應(yīng)用也極具潛力。隨著納米技術(shù)和薄膜技術(shù)的飛速發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)

2、獨(dú)特的極性晶體結(jié)構(gòu)使ZnO具有形態(tài)各異的納米結(jié)構(gòu)，并隨之產(chǎn)生許多奇特的光學(xué)特性和量子效應(yīng)，極大的提高了器件的性能。因此，ZnO低維材料的應(yīng)用研究已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點(diǎn)，具有重要的實(shí)際意義。
　　 目前，高質(zhì)量薄膜和納米結(jié)構(gòu)的制備已經(jīng)成為ZnO實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。液相化學(xué)方法更低廉的價(jià)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(zhì)量提高、特殊納米結(jié)構(gòu)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(jī)

3、制也仍不明確，限制了ZnO低維器件的大規(guī)模應(yīng)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(xué)方法制備了不同生長取向和Al元素?fù)诫s的ZnO納米顆粒薄膜，及中空納米結(jié)構(gòu)等低維材料，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)的物理化學(xué)過程系統(tǒng)分析了其中的生長機(jī)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(gòu)成的納米顆粒薄膜。通過反應(yīng)過程的化學(xué)分析和熱分析認(rèn)為，膠體顆粒表面較多的-OH基

4、團(tuán)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(shù)的研究顯示，ZnO納米顆粒薄膜的取向在熱處理過程中經(jīng)歷了從隨機(jī)取向到c軸擇優(yōu)取向的演變過程，涂膜過程中的預(yù)處理方式對薄膜的c軸取向程度也存在影響；分析認(rèn)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(yù)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(jié)合旋轉(zhuǎn)涂膜技術(shù)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(qū)溶液的FT-IR和TG-DTA顯示，當(dāng)熱處理溫度高于ZnO的形核點(diǎn)時(shí)，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(jù)溶液中極低的Zn2+濃度分析認(rèn)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(jié)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(yīng)力和更好的結(jié)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(zhì)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(shí)，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小；能譜面

7、掃描顯示，未進(jìn)入ZnO晶格的Al成分在晶界上形成了富集；分析認(rèn)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(yùn)動(dòng)的釘扎，導(dǎo)致晶粒尺寸的減??；雜質(zhì)含量增加與晶粒細(xì)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(qiáng)制水解結(jié)合水熱結(jié)晶制備了ZnO中空納米結(jié)構(gòu)。研究表明，溶膠的過量加入使水核模板在前驅(qū)水解產(chǎn)物的包覆下全部沉淀，表面活