利用水热法在改型的硅衬底上制备氧化锌微纳米中空结构膜的研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）作为一种典型的Ⅱ-Ⅵ族直接带系宽禁带半导体材料,是近年来研究最为广泛的半导体材料之一。高达到3.4eV的禁带宽度,使其具有优异的短波长发光能力；高达60meV的激子束缚能,使其成为最具潜力的室温蓝紫光发射材料。除了光电性能之外,优异的气敏、压电、透明导电特性使得其成为各个领域研究的重点。从微观上讲,ZnO具有形状各异的丰富的纳米结构。例如,纳米线、纳米棒、纳米管、纳米环、纳米片、纳米花等。在这些结构中,尤其是中空结构,最是人们所希望获得的。因为它不但具有优越的光、电、热和机械性能,而且因其所具有的多孔性和大的比表面积,已逐渐获得了广泛应用。从宏观上说,在ZnO的研究和应用中,薄膜是其主要的形态结构。具有微纳米结构的氧化锌薄膜材料,由于具有量子尺寸效应、表面效应等,而表现出不同于常规材料的特殊物理化学性能,成为材料领域研究的重点。然而,人们所制备出的氧化锌薄膜大多是由微纳米级别的实心颗粒所组成,性能不如具有多孔性和大的比表面积的中空结构好,并且全部都是呈现c轴择优取向生长,这在一些实际应用上受到了一定的限制。基于目前研究中所出现的问题,本课题详细分析了微纳米结构阵列与薄膜之间关系,采用了一套全新的思路来制备α轴择优取向的ZnO结构薄膜。尝试从实验出发,采用改型后的硅（110）作为生长衬底,利用新颖的微乳水热方法在“V”型槽中生长具有高度取向的氧化锌微纳米中空结构阵列,从而制备出具有α轴取向生长的ZnO微纳米中空结构膜。使用湿法刻蚀技术对硅（100）衬底进行表面改型处理,对刻蚀过程中光刻胶的清洗、衬底放置方式等环节进行优化,从而在优化后的条件下,刻蚀出形貌较好的“V”型槽阵列,为下步实验提供优良的衬底材料。使用新颖的微乳水热方法尝试在未刻蚀的Si衬底上液相生长ZnO微纳米中空结构,进而摸索出最佳水热试验条件,并在实验的基础上对ZnO微纳米中空结构的生长机制进行了详细的探讨。在刻蚀后的“V”型槽衬底上制备氧化锌种子层,并在此种子层上进行连续十次的水热沉积,获得整齐排列的氧化锌微纳米管阵列,最终,成功制备出了“V”型槽上具有α轴择优取向生长的氧化锌微纳米中空结构膜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO微纳米结构的发展及研究现状
• 1.3 ZnO薄膜的研究现状
• 1.4 ZnO薄膜的特性及应用
• 1.5 ZnO微纳米结构和薄膜的制备方法
• 1.6 本文的研究内容及意义
• 第2章 实验与原理与方法
• 2.1 引言
• 2.2 ZnO晶体结构和特性
• 2.2.1 ZnO晶体结构
• 2.2.2 ZnO晶体特性
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 湿法刻蚀
• 2.3.2 水热法
• 2.3.3 反胶束微乳液法
• 2.4 化学试剂及设备
• 2.4.1 化学试剂
• 2.4.2 设备
• 2.5 分析手段及基本原理
• 2.5.1 X射线衍射
• 2.5.2 扫描电子显微镜
• 2.5.3 原子力显微镜
• 第3章 单晶Si（100）衬底表面改型的优化
• 3.1 引言
• 3.2 “V”型槽刻蚀的改进和优化
• 3.2.1 去除光刻胶的改进
• 3.2.2 衬底放置方式的改进
• 3.2.3 水浴温度的优化
• 3.2.4 清洗试样的优化
• 3.2.5 优化后的实验步骤
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 刻蚀前清洗的优化对去除光刻胶的影响
• 3.3.2 衬底放置方式的优化对刻蚀形貌的影响
• 3.3.3 水浴温度的优化对刻蚀时间的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 “V”型槽上制备氧化锌中空微纳米结构膜的探索
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 反应衬底的预处理
• 4.2.2 前驱溶液的配置
• 4.2.3 水热反应
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 水热时间的影响
• 4.3.2 冷却速度的影响
• 4.3.3 溶胶含量的影响
• 4.3.4 CTAB含量的影响
• 4.3.5 PH值的影响
• 4.3.6 生长机制的探讨
• 4.4 “V”型槽上制备氧化锌中空微纳米结构膜的初步探索
• 4.4.1 种子层的制备
• 4.4.2 种子层对“V”型槽上制备氧化锌中空微纳米结构阵列的影响
• 4.4.3 连续水热对“V”型槽上制备氧化锌中空微纳米结构膜的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢