溶膠-凝膠法制備Na摻雜ZnO薄膜的微結構及其性能表性.pdf

1、ZnO是一種重要的寬禁帶半導體光電材料，同時又具有光催化和光誘導表面浸潤性可逆轉變，在氣敏傳感器，太陽能電池，激光二極管、污水處理、空氣凈化、防霧和自清潔等諸多領域具有廣泛的應用前景。所以，通過摻雜和優(yōu)化制備工藝條件等手段改善ZnO薄膜的光電性能，增強其光催化活性，提高其接觸角轉變范圍以實現(xiàn)超親水/超疏水可逆轉變已成為材料科學和化學領域的重要研究內(nèi)容。
　　 本文采用溶膠凝膠技術在不同襯底（硅片和石英玻璃）上制備了未摻雜和Na摻

2、雜ZnO薄膜，利用X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜儀(XPS)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)、紫外可見分光光度計(UV-Vis)、熒光光譜儀(FL)和接觸角測試儀等測試分析薄膜的微結構、組分、表面形貌、紫外可見透射譜、光致發(fā)光譜和表面接觸角等，以甲基橙溶液為模擬污染物，研究薄膜的光催化活性。全面系統(tǒng)地研究預處理溫度、退火溫度和時間和Na摻雜量等對薄膜的微結構、表面化學成分及其價態(tài)、表面形貌、紫外可見透射譜及其光學帶

3、隙、光致發(fā)光帶、表面浸潤性及其可逆轉變、光催化活性等的影響。主要結論如下：
　　 利用XRD、AFM、UV-vis和FL等研究預處理溫度和退火時間對Na摻雜ZnO(Na:Zn=0.08)微結構、表面形貌、紫外可見透射、光學帶隙和光致發(fā)光譜等的影響。微結構和表面形貌研究結果顯示，預處理溫度為150℃和250℃的Na摻雜ZnO薄膜出現(xiàn)明顯的c軸擇優(yōu)取向，而預處理溫度為200℃的薄膜則未表現(xiàn)出擇優(yōu)取向。在退火溫度相同的情況下，隨預處理

4、溫度的升高，薄膜的平均晶粒尺寸和表面rms粗糙度均逐漸減小。當退火溫度為400℃，不同退火時間薄膜的XRD圖譜中未觀察到鈉及其氧化物的衍射峰，隨著退火時間的增加，薄膜衍射峰的強度逐漸減小；當退火溫度為600℃和800℃時，經(jīng)90min和120min退火處理的Na摻雜ZnO薄膜中出現(xiàn)了NaO2(101)衍射峰。利用紫外可見透射譜計算出薄膜的光學帶隙，對于退火溫度相同的Na摻雜ZnO薄膜，退火時間越長，Eg值越?。欢鴮τ谕嘶饡r間相同的薄膜，

5、退火溫度越高，Eg值越小。PL譜研究結果顯示，預處理溫度較低時，退火溫度對薄膜的PL譜影響較大，高退火溫度薄膜中出現(xiàn)了與缺陷有關的黃綠和藍紫發(fā)光峰；預處理溫度較高時，退火溫度對薄膜的PL譜影響不大。對于相同退火溫度的Na摻雜ZnO薄膜，不同退火時間的薄膜均出現(xiàn)相同光致發(fā)光帶，只是發(fā)光強度和峰位有所變化。
　　 利用XRD、XPS、SEM、AFM、UV-Vis、FL和接觸角測試儀對未摻雜和Na摻雜ZnO薄膜(預處理溫度和退火時間分

6、別為150℃和60min)的微結構、組分、表面形貌、光學帶隙、光致發(fā)光、表面浸潤性和光催化活性進行測試分析。XRD結果顯示，不同Na摻雜ZnO薄膜的所有衍射峰均與六角纖鋅礦結構ZnO的標準譜相對應，當Na:Zn原子比為0.08時，該薄膜出現(xiàn)了明顯的c軸擇優(yōu)取向，該結果表明可以通過改變薄膜中的Na含量來調(diào)節(jié)薄膜的擇優(yōu)取向。表面形貌分析結果顯示，對于相同退火溫度Na摻雜ZnO薄膜，Na含量較低時，相對較小的顆粒均勻而致密分布在薄膜表面；當N

7、a含量較高時，顆粒之間的間隙增多，致密度下降，平均顆粒尺寸增大。XPS分析結果顯示，Na1s峰的半高寬隨Na:Zn的增加先增大后減小，中心峰位值逐漸減小，說明在較高Na:Zn原子比薄膜中，Na離子可能替代了晶格Zn而成為受主NaZn。Zn2p3譜和ZnLMM俄歇譜研究結果表明大部分的Zn元素以Zn2+離子形式存在于薄膜中，而也有少量的Zn元素以單質(zhì)Zn的形式出現(xiàn)在薄膜中。紫外可見透射譜的研究結果表明，所有樣品的光學帶隙均小于塊材的光學帶

8、隙(3.37eV)，該結果歸因于晶格失配和偏離化學計量比等局域缺陷產(chǎn)生的帶尾，對于相同退火溫度Na摻雜ZnO薄膜，隨著Na摻雜量的增加，Eg在一定范圍內(nèi)波動。光致發(fā)光譜研究結果顯示，經(jīng)400℃退火處理Na摻雜ZnO薄膜在380-420nm波段范圍內(nèi)出現(xiàn)紫外/紫光發(fā)光峰，在可見光波段出現(xiàn)藍光發(fā)射和黃綠發(fā)光峰，隨著Na摻雜量的增加，紫外/紫光發(fā)射峰先紅移后藍移；經(jīng)800℃退火處理薄膜出現(xiàn)很強的黃綠發(fā)射帶，隨著Na摻雜量的增加，黃綠發(fā)光帶的峰

9、值在540-570nm之間波動。
　　 研究了經(jīng)600℃和800℃退火處理Na摻雜ZnO薄膜的表面浸潤性及其可逆轉變，結果顯示，光照之前，薄膜的接觸角較大，而對薄膜進行紫外光照處理一段時間后，薄膜的接觸角逐漸減小，表現(xiàn)為親水性，歸一化接觸角減速比與薄膜中的Na摻雜量密切相關；將60min光照后表現(xiàn)為親水性的薄膜在黑暗處放置7天或者在大氣氛圍中經(jīng)200℃熱處理60min后，薄膜又恢復到光照前的浸潤狀態(tài)。研究了不同退火溫度ZnO薄膜

10、的光催化活性，結果表明，隨著退火溫度升高，薄膜的光催化降解效率由73.4％增大到88.0％；對于不同的反應時間，光催化降解的表觀反應速率分別由0.0056min-1增大到0.0071min-1和從0.0084min-1增大到0.0149min-1。研究了Na摻雜量對600℃退火處理Na摻雜ZnO薄膜光催化活性的影響，結果顯示，隨著Na:Zn原子比的增加，薄膜的光降解效率先增大后減小，在Na:Zn=0.08時出現(xiàn)最大的光降解效率，為89.

11、1％。
　　 本學位論文的創(chuàng)新點在于：
　　 1、深入系統(tǒng)地研究Na摻雜量、預處理溫度以及退火溫度和時間對ZnO薄膜的微結構、表面形貌和光學性質(zhì)的影響，探討可能光致發(fā)光機理，為ZnO光致發(fā)光機理研究提供實驗基礎。
　　 2、研究了未摻雜和Na摻雜ZnO薄膜的表面浸潤性及其光誘導表面浸潤性可逆轉變，并對其形成機理給予合理的解釋。
　　 3、研究了未摻雜和Na摻雜ZnO薄膜的光催化性能，并對其光催化機理給出合