ZnO納米結構的制備、表征及其光學性質研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種重要的直接寬帶隙化合物半導體材料，具有優(yōu)良的壓電、熱點、光電特性，其禁帶寬度為3.37eV，室溫下激子束縛能高達60meV，遠高于其它半導體材料。從結構上來說，Zn原子和O原子在c軸方向上交替堆積將會引起兩個極性的(0001)-Zn面和(0001)-O面；另外，ZnO有三個快速生長的方向。利用這種獨特的結構特性，現(xiàn)在諸多研究者已成功生長出了如納米線、納米管、納米帶、納米環(huán)等新奇的ZnO納米結構。這些納米結構顯現(xiàn)出許

2、多不同于塊材的優(yōu)異特性，在制備納米光電子器件和納米電子器件方面將發(fā)揮重要作用。 納米材料的性質與材料的結構有關，制備工藝和方法對納米材料的結構和物性有很大的影響。目前，納米材料制備科學與技術的發(fā)展趨勢是加強控制過程的研究，例如對材料形狀、尺寸、表面和微結構的研究，從而達到對其特殊性能進行研究和利用的目的。本文以高度有序氧化鋁模板同射頻磁控濺射法和熱蒸發(fā)方法相結合，制備出高度有序的ZnO納米結構。由于模板的有序度、厚度、孔徑等因素

3、都將影響表面納米結構的合成，我們系統(tǒng)地研究了氧化鋁模板的制備工藝，并通過一系列實驗制備出可控形貌的高度有序氧化鋁模板，并對其生長機制進行了探討。然后以高度有序的氧化鋁膜作為模板，利用射頻磁控濺射法和熱蒸發(fā)方法制備出了高度有序的ZnO納米孔和納米棒陣列。 掃描電子顯微鏡和透射電鏡不僅證實了所制備的納米結構具有高的有序度，并證實所制備的納米結構是單晶的，具有很好的結晶質量。我們還對樣品進行了光致發(fā)光譜的測量，測量結果表明所制備的有序

4、納米結構具有很強的紫外光發(fā)射，表明這些有序的納米結構可潛在的應用于紫外探測器中。通過透射電鏡、紅外吸收譜和透射譜研究了模板中雜質的分布和不同退火溫度下氧化鋁模板中陰離子濃度的變化對ZnO納米孔陣列的影響，研究了高度有序納米結構形成的機制。從紅外吸收譜中可觀察到，隨著退火溫度的升高，COO-伸縮振動的強度將減小，表明了退火可引起雜質的分解導致陰離子濃度的減小。在電解制備模板過程中，電解質當中的陰離子在電場的作用下進入到氧化鋁模板內部形成不

5、均勻的摻雜，正是這種不均勻的摻雜分布導致模板表面產生局域化負電荷，而局域化負電荷使沉積材料沿著模板的孔壁向上生長，最終導致了有序ZnO納米結構的形成。高度有序的納米陣列不但體現(xiàn)了納米結構單元的集體效應，而且它能反映單一納米結構或者單元所不具備一些效應，避免了無序堆積而成的納米結構所引起復雜晶粒間界面結構的形成，有助于將由量子尺寸效應和表面效應所導致的奇特的物理化學的機理搞清楚，利于其應用。 雖然簡單形貌的ZnO納米結構已經被成功

6、制備，甚至一些已應用到納米器件中，然而在一些復雜體系中，可能需要集成度更高的納米結構。本文中，我們創(chuàng)造性的采用了兩步熱蒸發(fā)方法，制備出了可控形貌的分層次ZnO納米結構，實現(xiàn)了單一納米結構的集成。實驗中，首先在低溫區(qū)制備出了被少量氧化的Zn納米線。然后，在第二步中，把第一步所制備的樣片作為第二步的基片，放在高溫區(qū)域，并同時加熱Zn源，就可成功的制備出可控形貌的分層次ZnO納米結構。通過改變制備過程中氧氣流量，實現(xiàn)了ZnO納米棒和納米管及納

7、米線的集成。透射電鏡、掃描電鏡和一系列可控的實驗研究了納米結構的形貌的變化，從而推斷了形成機制。實驗結果表明在低的氧氣流量下，ZnO納米棒以螺旋位錯的生長機制從中心軸向的納米管/納米棒側壁生長出來，而高的氧流量會導致納米棒擇優(yōu)的沿著[001]方向從中心軸向的納米線表面生長出來。 此外，通過改變蒸發(fā)時間，我們實現(xiàn)了在納米管表面ZnO納米棒長度的控制。我們還證實了在第一步中適量氧氣通入的重要性，在第一步中氧氣的通入對實現(xiàn)分層次ZnO

8、納米結構的形成起著重要作用。不同形貌光致發(fā)光譜的結果表明這些分層次納米結構的光學性質可通過可控的形貌來調制。整個實驗過程僅僅蒸發(fā)Zn粉，并不引進其它金屬雜質，避免了雜質的引入對納米結構的污染。這種簡單的兩步熱蒸發(fā)方法的采用，也避免了通常要制備分層次納米結構所必須的高的溫度或復雜的合成過程，利于納米結構在納米器件中的應用。同時，這種簡單、便宜、免催化和低溫的方法不僅可以用來合成分層次的ZnO納米結構還可能用在其它材料的復雜納米結構的制備中