硅基ZnO纳米结构的制备及性能研究

论文摘要

由于ZnO在光学、电学、压电等领域有着优越性能和诱人的应用前景,基于ZnO纳米材料的研究引起了各国学者广泛关注。在显示器领域,纳米氧化锌具有低开启电场、阈值电场、高电流密度和制备成本低等优点被认为是最有前途的场发射阴极材料之一。本论文主要研究通过提高纳米线纵横比和In掺杂改善ZnO场致发射性能;在自制超薄氧化铝模板（UTAM）上采用气相沉积法（CVD）制备垂直有序ZnO纳米线阵列并通过原子力显微镜测试其压电性能;采用低温溶液法通过添加表面活性剂制备“玫瑰”花形貌ZnO,并阐述其生长机理和测试光学性能。主要内容如下:1)无催化剂条件下,我们采用CVD法在硅衬底上制备垂直有序的超长ZnO纳米线阵列,该纳米线长度达310μm,纵横比达660。在制备过程中以ZnO纳米晶薄膜作为籽晶层,诱导纳米线阵列垂直生长。场致发射性能测试结果显示反应60分钟所制备样品的开启电场为2.09V/μm,阈值电场为7.89V/μm,场增强因子为3582,表明该纳米线阵列具有良好场发射性能。2)无催化剂条件下,我们通过CVD法在裸露的硅衬底上制备“树叶”状In掺杂ZnO。高分辨电子显微镜（HRTEM）、选区衍射斑点（SAED）和能谱（EDS）等表征说明该结构中存在超晶格。光致发光和紫外-可见光谱表明,与ZnO纳米线阵列相比,“树叶”状ZnO在可见光区域发射峰位有“红移”现象。场致发射性能测试结果显示,“树叶”状ZnO开启电场为0.86V/μm,阈值电场为4.35V/μm,场增强因子达到4843,表明In掺杂ZnO材料有着优异的场致发射性能。3)在附有UTAM的硅衬底上我们通过热蒸法蒸镀一层Au薄膜,去除UTAM后得到有序的Au点阵。采用CVD法在附有Au薄膜UTAM上制备垂直有序ZnO纳米线阵列,在原子力显微镜（AFM）接触扫描模式下测试纳米线阵列压电性能;然而在无Au膜UTAM上形成的是多孔ZnO结构。4)在表面活性剂EDTA-2Na辅助下,我们通过低温溶液法制备“玫瑰”花形貌ZnO。在反应溶液中未加入EDTA-2Na时,生成的是纳米线阵列,随着EDTA-2Na量增加(EDTA-2Na与Zn2+摩尔浓度比从1:5增加为1:2),ZnO形貌从“玫瑰”花状变为“塔”状。在EDTA-2Na/Zn2+摩尔浓度比为1:2时,反应4个小时,ZnO形貌演变过程为首先形成纳米片,然后卷曲成褶皱状,再自组装形成“玫瑰”花形貌。实验结果显示EDTA-2Na作为螯合剂在ZnO形貌演变过程中起着重要作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO 的概述
• 1.1.1 ZnO 的基本特性
• 1.2 ZnO 纳米结构的制备方法
• 1.2.1 气相法
• 1.2.2 液相法
• 1.2.3 模板法
• 1.2.4 电化学沉积法
• 1.2.5 溶胶-凝胶法
• 1.2.6 微波法
• 1.3 常用表征手段
• 1.3.1 X 射线衍射谱（XRD）
• 1.3.2 透射电子显微镜（TEM）
• 1.3.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 1.3.4 紫外可见吸收光光谱（UV-Vis）
• 1.3.5 光致发光谱（PL）
• 1.3.6 X 射线光电子能谱（XPS）
• 1.3.7 原子力显微镜（AFM）
• 1.4 纳米ZnO 应用研究进展
• 1.4.1 场致发射性能研究
• 1.4.2 气敏特性
• 1.4.3 激光器
• 1.4.4 染料敏化电池
• 1.4.5 压电性能
• 1.4.6 其它方面的应用
• 1.5 本论文选题意义和研究内容
• 第二章 超长 ZnO 纳米线阵列的制备及场致发射性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂和仪器
• 2.2.2 实验步骤
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 超长纳米线阵列表征
• 2.3.2 超长纳米线阵列光学特性
• 2.3.3 超长纳米线阵列形成机理
• 2.3.4 超长ZnO 纳米线阵列场致发射性能
• 2.4 本章小结
• 第三章 “树叶”状 In 掺杂 ZnO 制备及场发射性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂和仪器
• 3.2.2 实验步骤
• 3.3 结构与讨论
• 3.3.1 “树叶”状In 掺杂ZnO 结构表征
• 3.3.2 “树叶”状In 掺杂ZnO 结构的生长机理
• 3.3.3 “树叶”状In 掺杂ZnO 结构的光学特性
• 3.3.4 “树叶”状In 掺杂ZnO 结构的场致发射性能
• 3.3.5 影响制备“树枝”状结构ZnO 的因素
• 3.4 本章小结
• 第四章 模板法制备选择性生长的 ZnO 纳米结构及其压电性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂和仪器
• 4.2.2 实验步骤
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 UTAM 表征
• 4.3.2 Au 点阵结构表征
• 4.3.3 ZnO 结构表征
• 4.3.4 垂直ZnO 纳米线的压电性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 低温溶液法制备三维 ZnO 纳米结构
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂与仪器
• 5.2.2 实验步骤
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 EDTA 对ZnO 形貌的影响
• 5.3.2 “玫瑰”花结构ZnO 光学性能
• 5.3.3 其它表面活性剂对ZnO 形貌的影响
• 5.3.4 ZnO 纳米结构的形成机理
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 本论文的特色和创新之处
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文和专利
• 致谢