纳米结构ZnO的制备及性能研究

论文摘要

ZnO在室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，是一种重要的宽禁带半导体材料，在自旋电子器件和光电子器件等领域有着广泛的应用前景，因此对于ZnO纳米材料的制备和掺杂的研究将使其在理论和实际应用方面具有重要的价值。过渡族金属元素掺杂ZnO稀磁半导体,其居里温度在室温以上，因此在自旋电子器件领域有潜在的应用价值；此外，由于稀土元素具有特殊的原子壳层结构，使其在光学和磁学方面表现出优异的性能，因此，研究者对于稀土元素掺杂ZnO纳米材料的研究产生了浓厚的兴趣。本论文采用热蒸发法、水热合成法和溶胶凝胶法制备出ZnO纳米棒结构及掺杂的ZnO纳米粒子结构，旨在对所制备的材料的结构、形貌、生长机理、光学性能、光催化性能、疏水性能、磁学性能等进行系统的研究。研究工作在以下方面取得了成果。1采用热蒸发法在未使用催化剂和模版的条件下在ITO衬底和Si片衬底上制备了ZnO纳米棒结构，并比较了两种衬底对ZnO纳米棒的形貌、结构、光学性能和光催化性能的影响。结果表明在ITO衬底上生长的ZnO纳米棒能够沿C轴取向生长，原因是与Si衬底相比，ITO衬底具有导电层，此导电层对ZnO纳米棒的取向生长起到了至关重要的作用，此外，在ITO衬底上生长的ZnO纳米棒具有好的光催化性能和光学性能。2采用水热合成法在石英玻璃衬底上制备了ZnO薄膜，此种ZnO薄膜是由ZnO微米球构成的，并且每个微米球是由尺寸均一的亚微米棒组成，ZnO薄膜在可见光区的透过率超过89%，这种特殊的ZnO亚微米结构具有超疏水性能，未经修饰的ZnO薄膜表面和水滴的接触角高达151°。3采用溶胶凝胶法制备过渡族金属元素Cu掺杂的ZnO材料，并对其磁学性能和光学性能进行了研究。Zn1-xCuxO纳米粒子具有稀的铁磁性能，当掺杂含量在5at%时，样品具有最大的饱和磁化强度，随着Cu掺杂浓度的增加，Zn1-xCuxO样品的紫外发射淬灭，同时可见光发射增强。用第一原理理论计算对该掺杂体系进行了理论模拟，表明Cu与临近的四个O原子之间的p-d杂化是Zn1-xCuxO产生铁磁性能的根源。4采用溶胶凝胶法制备了稀土元素Y掺杂的ZnO纳米粒子（Zn1-xYxO），Y掺杂进入ZnO晶格中的饱和浓度约为6.12at%，Y掺杂进入ZnO晶格能够有效地增强ZnO的紫外发射，抑制深能级发射。在Zn1-xYxO体系中，当Y掺杂浓度达到饱和时，样品的紫外发射与深水平发射的强度比值增加至32，即获得了高紫外发光和低杂质发光的ZnO。5采用溶胶凝胶法制备了稀土元素Nd掺杂的ZnO纳米粒子(Zn1-xNdxO)，Nd掺杂进入ZnO晶格中的饱和浓度小于5at%，Zn1-xNdxO在室温下具有稀磁性能，是氧空位（VO）以及稀土元素Nd的f轨道和ZnO的s轨道耦合共同作用的结果。随着Nd掺杂浓度的增加，Zn1-xNdxO纳米粒子的紫外发射发生红移，这是由新的未占据的Nd4f电子态位于ZnO导带底，从而形成新的未占据的分子轨道，导致带隙减小引起的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO 材料的基本性质
• 1.2.1 ZnO 的晶体结构
• 1.2.2 ZnO 的能带结构
• 1.2.3 ZnO 的缺陷
• 1.3 ZnO 纳米材料的性能
• 1.3.1 ZnO 纳米材料的光学性能
• 1.3.2 ZnO 纳米材料的光催化性能
• 1.3.3 ZnO 纳米材料的润湿性能
• 1.4 ZnO 纳米材料掺杂的研究现状分析
• 1.4.1 稀土元素掺杂 ZnO 纳米材料的研究现状分析
• 1.4.2 过渡族元素掺杂 ZnO 纳米材料的研究现状分析
• 1.5 本文的主要研究内容及选题依据
• 第2章 样品的制备及表征手段
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂
• 2.3 样品的表征手段及测试条件
• 2.3.1 X 射线衍射仪分析（XRD）
• 2.3.2 扫描电子显微镜分析（FESEM）
• 2.3.3 透射电子显微镜分析（TEM）
• 2.3.4 X 射线光电子能谱分析（XPS）
• 2.3.5 微区拉曼光谱分析（Raman）
• 2.3.6 光致发光光谱分析（PL）
• 2.3.7 振动样品磁强计分析（VSM）
• 2.3.8 荧光光谱分析（UV-Vis）
• 2.3.9 接触角测量仪分析（CA）
• 第3章 花状 ZnO 纳米棒的制备及光学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 样品的制备
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 花状 ZnO 纳米棒的结构分析
• 3.3.2 花状 ZnO 纳米棒的形貌分析
• 3.3.3 花状 ZnO 纳米棒的成分分析
• 3.3.4 花状 ZnO 纳米棒的生长机理分析
• 3.3.5 花状 ZnO 纳米棒的光学性能分析
• 3.3.6 花状 ZnO 纳米棒的拉曼光谱分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 生长在 ITO 衬底上的 ZnO 纳米棒的制备及光学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 样品的制备
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 生长在 ITO 衬底上的 ZnO 纳米棒的结构分析
• 4.3.2 生长在 ITO 衬底上的 ZnO 纳米棒的形貌分析
• 4.3.3 生长在 ITO 衬底上的 ZnO 纳米棒的生长机理分析
• 4.3.4 生长在 ITO 衬底上的 ZnO 纳米棒的光催化性能分析
• 4.3.5 生长在 ITO 衬底上的 ZnO 纳米棒的光学性能分析
• 4.3.6 生长在 ITO 衬底上的 ZnO 纳米棒的拉曼光谱分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 ZnO 薄膜的制备及疏水性能和光学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 样品的制备
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 ZnO 薄膜的结构分析
• 5.3.2 ZnO 薄膜的形貌及疏水性能分析
• 5.3.3 ZnO 薄膜的 X 射线光电子能谱分析
• 5.3.4 ZnO 薄膜的荧光光谱分析
• 5.3.5 ZnO 薄膜的光致发光光谱分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 Cu 掺杂 ZnO 纳米粉体的制备及光学和磁学性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 样品的制备和第一原理计算
• 6.2.1 样品的制备过程
• 6.2.2 第一原理计算
• 6.3 Cu 掺杂 ZnO 纳米粒子的实验结果分析
• 6.3.1 Cu 掺杂 ZnO 纳米粒子的结构分析
• 6.3.2 Cu 掺杂 ZnO 纳米粒子的成分分析
• 6.3.3 Cu 掺杂 ZnO 纳米粒子的形貌分析
• 6.3.4 Cu 掺杂 ZnO 纳米粒子的光学性能分析
• 6.3.5 Cu 掺杂 ZnO 纳米粒子的磁学性能分析
• 6.4 Cu 掺杂 ZnO 的第一原理计算结果分析
• 6.4.1 Cu 掺杂 ZnO 的能带结构分析
• 6.4.2 Cu 掺杂 ZnO 的能态密度分析
• 6.4.3 Cu 掺杂 ZnO 的光学性能计算分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 Y 或 Nd 掺杂 ZnO 纳米粉体的制备及光学和磁学性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 样品的制备
• 7.2.1 Y 掺杂 ZnO 纳米粉体的制备过程
• 7.2.2 Nd 掺杂 ZnO 纳米粉体的制备过程
• 7.3 Y 掺杂 ZnO 纳米粉体的表征及光学性能
• 7.3.1 Y 掺杂 ZnO 纳米粒子的结构及形貌分析
• 7.3.2 Y 掺杂 ZnO 纳米粒子的成分分析
• 7.3.3 Y 掺杂 ZnO 纳米粒子的光学性能分析
• 7.4 Nd 掺杂 ZnO 纳米粉体的表征及光学和磁学性能
• 7.4.1 Nd 掺杂 ZnO 纳米粒子的结构及形貌分析
• 7.4.2 Nd 掺杂 ZnO 纳米粒子的成分分析
• 7.4.3 Nd 掺杂 ZnO 纳米粒子的磁学性能分析
• 7.4.4 Nd 掺杂 ZnO 纳米粒子的光学性能分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢