ZnO纳米结构材料的可控合成、掺杂及性能调控研究

论文摘要

作为一种新型的宽禁带半导体材料,ZnO具有直接带隙结构,室温下的禁带宽度约为3.37 eV,激子束缚能为60 meV,ZnO还具有原料丰富,成本低廉,对环境友好无污染等优点,使其在蓝紫光发光二极管、紫外探测器、太阳能电池、场效应晶体管、传感器以及自旋电子等领域具有巨大的应用潜力。ZnO材料中掺杂引入某些特定的元素,可以调节其材料性能。近年来,ZnO低维纳米材料因其独特的形貌、结构以及特殊的材料性能,引起了全世界的广泛关注。尽管人们对ZnO纳米材料进行了大量的研究工作,但是其可控合成、掺杂以及性能调控问题一直困扰着大家,特别是对于ZnO纳米材料中的掺杂研究理解还不够深入。基于上述这些情况,本论文的研究工作将以ZnO纳米结构材料的可控生长为基础,有效的掺杂为手段,材料的性能调控为目标,深入地研究掺杂对于ZnO纳米结构材料形貌、结构和性能等的影响。主要工作包括：1.采用气相热蒸发方法制备了ZnO低维纳米结构材料,通过Cd的掺杂引入,研究ZnO纳米结构材料的生长规律和掺杂原子对其的影响。2.采用液相热注入的方法,制备了形貌、结晶质量和单分散性较好的纯ZnO纳米晶,将合成ZnO纳米晶的方法用于其他氧化物纳米晶的生长,为ZnO纳米晶中的掺杂研究提供了实验基础。3.采用液相热注入的方法,通过改变Mg源的掺杂浓度,可以得到多种形貌的Mg掺杂ZnO纳米晶,且具有可调的光学性质。我们重点研究了Mg掺杂ZnO tetrapod和Mg掺杂ZnO超细纳米线的形貌、结构和成分,发现tetrapod中心区域属于立方闪锌矿结构,分支属于六方纤锌矿结构,整根超细纳米线是属于单晶的六方纤锌矿结构。4.通过改变原料中Mg掺杂源的浓度,我们系统地研究了Mg掺杂浓度对掺杂ZnO纳米晶形貌、结构和性能的决定性影响,进一步深入地研究掺杂ZnO纳米晶的生长过程,发现掺杂ZnO纳米晶生长初期具有不同晶体结构的生长籽晶是决定产物纳米晶形貌的关键因素。5.为了验证掺杂离子在纳米晶生长初期对籽晶的影响作用,我们设计了籽晶生长实验,该实验证实了在生长初期掺杂Mg离子可以诱导ZnO籽晶发生结构变化,很好地支持了我们提出的掺杂诱导氧化物纳米晶相变机制。6.通过实验验证了纯ZnO纳米晶和掺杂ZnO纳米晶表面吸附的配体,研究发现表面配体对掺杂纳米晶的生长过程有着重要的影响,它会抑制氧化物纳米晶的生成,但是表面配体和反应所用的溶剂均不是引起掺杂纳米晶形貌变化的关键因素。7.通过选择Cd、Mn和Ni的羧酸盐作为金属掺杂源,我们发现了与Mg掺杂ZnO纳米晶体系中相似的规律,说明掺杂诱导的氧化物纳米晶形貌变化和相变机制具有一定的普适性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 ZnO的基本性质
• 2.2 ZnO的能带结构与能带工程
• 2.2.1 ZnO的能带结构
• 2.2.2 ZnO的能带工程
• 2.3 ZnO纳米材料的光电性能与应用
• 2.3.1 紫外激光器
• 2.3.2 太阳能电池
• 2.3.3 场效应晶体管
• 2.3.4 紫外探测器
• 2.4 ZnO纳米材料的合成与掺杂
• 2.4.1 ZnO纳米材料的合成现状
• 2.4.2 ZnO纳米材料的掺杂
• 2.5 本论文的研究思路
• 第三章 生长方法与表征手段
• 3.1 气相热蒸发法
• 3.2 液相热注入法
• 3.3 表征手段
• 第四章 znO基纳米材料的气相生长
• 4.1 ZnO基梳状纳米材料的生长和表征
• 4.1.1 ZnO基梳状纳米材料的生长
• 4.1.2 ZnO基梳状纳米材料的形貌、成分与结构表征
• 4.1.3 ZnO基梳状纳米材料的光学性质
• 4.1.4 ZnO基梳状纳米材料的生长机制探讨
• 4.2 Cd掺杂多面ZnO纳米棒的生长和表征
• 4.2.1 Cd掺杂多面ZnO纳米棒的生长
• 4.2.2 Cd掺杂多面ZnO纳米棒的形貌、结构和成分表征
• 4.2.3 Cd掺杂多面ZnO纳米棒的光学性质
• 4.2.4 Cd掺杂多面ZnO纳米棒的生长机制探讨
• 4.3 本章小结
• 第五章 氧化物纳米晶的液相生长
• 5.1 ZnO纳米晶的生长与表征
• 5.1.1 热解法合成ZnO纳米晶
• 5.1.2 热注入法合成ZnO纳米晶
• 5.2 MgO纳米晶的生长与表征
• 2纳米棒的生长与表征'>5.3 CeO₂纳米棒的生长与表征
• 2纳米棒的生长'>5.3.1 CeO₂纳米棒的生长
• 2纳米棒的结构与成分表征'>5.3.2 CeO₂纳米棒的结构与成分表征
• 2纳米棒的光学性质'>5.3.3 CeO₂纳米棒的光学性质
• 2纳米棒的生长机制研究'>5.3.4 CeO₂纳米棒的生长机制研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 znO纳米晶的掺杂
• 6.1 Mg掺杂的ZnO纳米晶
• 6.1.1 Mg掺杂ZnO纳米晶的生长
• 6.1.2 Mg掺杂ZnO纳米晶的形貌变化
• 6.1.3 Mg掺杂ZnO纳米晶的结构表征
• 6.1.4 Mg掺杂ZnO纳米晶的成分研究
• 6.1.5 Mg掺杂ZnO纳米晶可调的光学性质
• 6.1.6 Mg掺杂ZnO纳米晶形貌变化的机制研究
• 6.2 Cd、Mn或Ni掺杂的znO纳米晶
• 6.2.1 Cd掺杂ZnO纳米晶的形貌、结构和光学性质
• 6.2.2 Mn掺杂ZnO纳米晶的形貌与结构变化
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文的主要创新点
• 7.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它学术成果