硅基板上氧化锌纳米结构的制备与表征

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氧化锌(ZnO)作为Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.4 eV左右,同时ZnO激子束缚能高达60 meV,在光电、催化、传感以及生化等不同领域有广阔的应用前景。一维和二维ZnO纳米结构具有许多新奇的性能,可以用于纳米紫外激光器、发光二极管、场发射晶体管和太阳能电池等纳米光电器件的构建模块,因此成为纳米半导体材料领域研究的新热点。鉴于气相法制备纳米ZnO一般需要昂贵的实验设备、较高的实验温度和较为严格的实验条件,本文工作着眼于低成本、低反应温度的湿化学法,在硅(Si)基板上制备了ZnO超薄膜和零维点结构、一维棒结构到二维片结构的纳米ZnO。首先,从旋涂法易于制备薄膜的角度出发,在Si基板上制备了ZnO薄膜,并结合分相原理通过旋涂过程中先驱物超薄层的分相制备了ZnO纳米点。然后,以ZnO薄膜和纳米点提供晶种进行后续生长,制备ZnO纳米片和ZnO纳米棒。通过不同的制备条件,可实现ZnO纳米结构的形貌变化和可控生长,本文对其结构和性能进行表征,并对其形成机理进行了讨论。本文的主要工作和取得的主要结果如下:1.采用旋涂法在Si基板上制备ZnO薄膜、密度可调的ZnO纳米点,并获得了纳米环和多孔膜等结构。2.利用Si基板上的ZnO薄膜作为品种层,以高碱性、一定浓度的Zn(NO32溶液作为生长母液,通过溶液生长法在室温下制备出ZnO纳米片薄膜和ZnO纳米片微球薄层。ZnO纳米片的平均厚度为20~25 nm,ZnO纳米片微球的平均直径约为3.5μm,这些二维纳米片结构显示了较好的发光性能和亲水性。3.利用Si基板上的ZnO薄膜、纳米点提供晶种,采用低温水热法(90℃)制备了有序的ZnO纳米棒阵列,棒的直径在20~40 nm之间。通过调整ZnO薄膜的形态和ZnO纳米点的密度,实现ZnO纳米棒密度的调控和选择性区域生长。ZnO纳米棒阵列显示了很强的紫外发光特性和疏水性能,同时随着ZnO纳米棒密度的变化,其发光性能和润湿性可实现调控。
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