纳米结构ZnO在TiO2薄膜上的电化学沉积及其光电性能

论文摘要

本文采用电化学沉积技术以ITO/TiO2纳米薄膜为基底,以硝酸锌水溶液为电解液,实现了纳米结构ZnO在TiO2纳米薄膜上的生长,并通过XRD、SEM、EDS、Raman和PL光谱等方法对样品进行测试和表征。重点研究了电解液浓度、沉积时间、六次甲基四胺（HMT）的引入以及TiO2基底薄膜的微观结构等对纳米结构ZnO的生长及其光学性质的影响,并结合循环伏安等电化学测试探讨了过程机制。采用溶胶-水热法合成TiO2膏体,通过浸渍提拉-旋涂过程制备了ITO/TiO2纳米薄膜,其具有规则均一的微观结构,粒径约为10 nm。以所合成的ITO/TiO2纳米薄膜为基底,采用0.03 mol/L的硝酸锌溶液为电解液和锌源,在-0.75 V的恒电压下,沉积得到纳米结构ZnO薄膜。ZnO具有六方相的晶体结构,并且沿着（002）晶面（c-轴）方向表现出明显的择优化生长,以至于形成了垂直于基底的ZnO纳米棒阵列。没有经过热处理,ZnO的结晶度依然很高。通过改变沉积时间、电解液浓度、TiO2基底薄膜的微观结构和引入功能分子等条件,可以方便地调控ZnO薄膜的结晶度以及表面形貌。结果表明,延长沉积时间、增加电解液浓度和引入一定量的HMT等均对ZnO薄膜的生长有促进作用,使得纳米棒的结晶度和取向更好,这与电化学沉积过程中沉淀剂OHˉ浓度的增加有关。与ITO玻璃基底相比,ZnO更易于在纳米结构TiO2薄膜上实现电化学沉积,并且基底薄膜的微观结构对ZnO生长有着较大的影响。在325 nm波长光的激发下,所获得的ITO/TiO2/ZnO薄膜分别约在375 nm和520 nm处表现出窄的紫外光发射峰和宽的绿光发射带,这主要是ZnO发光所导致的。紫外光发射是近带边激子的辐射复合产生的,而绿光发射则通常被认为与ZnO薄膜的内部本征缺陷有关。通过调控ZnO的结晶度及其阵列的微观结构,可以改变复合薄膜的发光性能。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 纳米科技与纳米材料
• 1.1.2 一维纳米材料的研究简介
• 1.1.3 发光材料器件的研究简介
• 1.2 ZnO 的基本性质
• 1.2.1 ZnO 的结构与性质
• 1.2.2 ZnO 的生长形态
• 1.3 一维纳米ZnO材料的特性
• 1.3.1 光学特性
• 1.3.2 场发射性能
• 1.3.3 传输特性
• 1.4 ZnO薄膜的应用
• 1.4.1 光电器件
• 1.4.2 太阳能电极材料
• 1.4.3 压电器件
• 1.4.4 气敏元件
• 1.4.5 与GaN互作缓冲层
• 1.5 ZnO材料的研究现状
• 1.5.1 ZnO纳米材料的特殊形态及性质
• 1.5.2 纳米ZnO与其他材料的复合
• 1.5.3 纳米ZnO光电性能的研究
• 1.6 ZnO薄膜的制备方法
• 1.6.1 磁控溅射
• 1.6.2 分子束外延（MBE）
• 1.6.3 喷雾热分解
• 1.6.4 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.6.5 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
• 1.6.6 溶胶－凝胶法
• 1.6.7 电化学沉积法
• 2薄膜'>1.7 基于溶胶-凝胶的涂层方法制备TiO₂薄膜
• 1.8 本课题研究目的意义和主要内容
• 1.8.1 研究目的及意义
• 1.8.2 研究主要内容
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验试剂和仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器及设备
• 2.1.3 电化学反应系统简述
• 2.2 基片的清洗与处理
• 2.3 材料表征方法
• 2.3.1 X-射线衍射仪
• 2.3.2 场发射扫描电子显微镜
• 2.3.3 紫外-可见分光光度计
• 2.3.4 拉曼光谱仪
• 2.3.5 光致发光光谱仪
• 2纳米粒子薄膜电极的制备'>2.4 TiO₂纳米粒子薄膜电极的制备
• 2提拉底膜的制备'>2.4.1 TiO₂提拉底膜的制备
• 2水热膏体的制备'>2.4.2 TiO₂水热膏体的制备
• 2纳米粒子薄膜的制备'>2.4.3 TiO₂纳米粒子薄膜的制备
• 2.4.4 电极的封装
• 2薄膜上的电化学沉积'>第3章 纳米ZnO 在TiO₂薄膜上的电化学沉积
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验方案
• 3.2.2 样品的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 循环伏安测试（CV）
• 3.3.2 扫描电子显微镜测试（SEM）
• 3.3.3 X-射线衍射测试（XRD）
• 3.3.4 能谱元素分析（EDS）
• 3.3.5 荧光光谱测试（PL）
• 3.4 沉积条件对ZnO微观结构的影响
• 3.4.1 电解液浓度对ZnO微观结构的影响
• 3.4.2 沉积时间对ZnO微观结构的影响
• 3.4.3 基底薄膜对ZnO微观结构的影响
• 3.4.4 沉积条件对ZnO微观结构影响的机制分析
• 3.5 电化学沉积ZnO薄膜的反应过程和机理研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 六次甲基四胺对 ZnO 电沉积的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 样品的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 扫描电子显微镜测试（SEM）
• 4.3.2 X-射线衍射测试（XRD）
• 4.3.3 紫外-可见吸收光谱测试（UV-vis）
• 4.3.4 荧光光谱测试（PL）
• 4.4 HMT辅助电化学沉积的反应机理分析
• 4.5 本章小结
• 2薄膜基底对ZnO 电沉积的影响'>第5章 TiO₂薄膜基底对ZnO 电沉积的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 釜前溶胶薄膜的制备
• 5.2.2 提拉溶胶薄膜的制备
• 5.2.3 样品的表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 扫描电子显微镜测试（SEM）
• 5.3.2 拉曼光谱测试（Raman）和X-射线衍射测试（XRD）
• 5.3.3 紫外-可见吸收光谱测试（UV-vis）
• 5.3.4 荧光光谱测试（PL）
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文