ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備、表征及其光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種重要的直接寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的壓電、熱點(diǎn)、光電特性，其禁帶寬度為3.37eV，室溫下激子束縛能高達(dá)60meV，遠(yuǎn)高于其它半導(dǎo)體材料。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，Zn原子和O原子在c軸方向上交替堆積將會(huì)引起兩個(gè)極性的(0001)-Zn面和(0001)-O面；另外，ZnO有三個(gè)快速生長(zhǎng)的方向。利用這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，現(xiàn)在諸多研究者已成功生長(zhǎng)出了如納米線(xiàn)、納米管、納米帶、納米環(huán)等新奇的ZnO納米結(jié)構(gòu)。這些納米結(jié)構(gòu)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(zhì)與材料的結(jié)構(gòu)有關(guān)，制備工藝和方法對(duì)納米材料的結(jié)構(gòu)和物性有很大的影響。目前，納米材料制備科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是加強(qiáng)控制過(guò)程的研究，例如對(duì)材料形狀、尺寸、表面和微結(jié)構(gòu)的研究，從而達(dá)到對(duì)其特殊性能進(jìn)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(jié)合，制備出高度有序的ZnO納米結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(guò)一系列實(shí)驗(yàn)制備出可控形貌的高度有序氧化鋁模板，并對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)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(shí)了所制備的納米結(jié)構(gòu)具有高的有序度，并證實(shí)所制備的納米結(jié)構(gòu)是單晶的，具有很好的結(jié)晶質(zhì)量。我們還對(duì)樣品進(jìn)行了光致發(fā)光譜的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明所制備的有序

4、納米結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的紫外光發(fā)射，表明這些有序的納米結(jié)構(gòu)可潛在的應(yīng)用于紫外探測(cè)器中。通過(guò)透射電鏡、紅外吸收譜和透射譜研究了模板中雜質(zhì)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(duì)ZnO納米孔陣列的影響，研究了高度有序納米結(jié)構(gòu)形成的機(jī)制。從紅外吸收譜中可觀(guān)察到，隨著退火溫度的升高，COO-伸縮振動(dòng)的強(qiáng)度將減小，表明了退火可引起雜質(zhì)的分解導(dǎo)致陰離子濃度的減小。在電解制備模板過(guò)程中，電解質(zhì)當(dāng)中的陰離子在電場(chǎng)的作用下進(jìn)入到氧化鋁模板內(nèi)部形成不

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

6、制備，甚至一些已應(yīng)用到納米器件中，然而在一些復(fù)雜體系中，可能需要集成度更高的納米結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單一納米結(jié)構(gòu)的集成。實(shí)驗(yàn)中，首先在低溫區(qū)制備出了被少量氧化的Zn納米線(xiàn)。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(shí)加熱Zn源，就可成功的制備出可控形貌的分層次ZnO納米結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變制備過(guò)程中氧氣流量，實(shí)現(xiàn)了ZnO納米棒和納米管及納

7、米線(xiàn)的集成。透射電鏡、掃描電鏡和一系列可控的實(shí)驗(yàn)研究了納米結(jié)構(gòu)的形貌的變化，從而推斷了形成機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在低的氧氣流量下，ZnO納米棒以螺旋位錯(cuò)的生長(zhǎng)機(jī)制從中心軸向的納米管/納米棒側(cè)壁生長(zhǎng)出來(lái)，而高的氧流量會(huì)導(dǎo)致納米棒擇優(yōu)的沿著[001]方向從中心軸向的納米線(xiàn)表面生長(zhǎng)出來(lái)。 此外，通過(guò)改變蒸發(fā)時(shí)間，我們實(shí)現(xiàn)了在納米管表面ZnO納米棒長(zhǎng)度的控制。我們還證實(shí)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(duì)實(shí)現(xiàn)分層次ZnO

8、納米結(jié)構(gòu)的形成起著重要作用。不同形貌光致發(fā)光譜的結(jié)果表明這些分層次納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)可通過(guò)可控的形貌來(lái)調(diào)制。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程僅僅蒸發(fā)Zn粉，并不引進(jìn)其它金屬雜質(zhì)，避免了雜質(zhì)的引入對(duì)納米結(jié)構(gòu)的污染。這種簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)所必須的高的溫度或復(fù)雜的合成過(guò)程，利于納米結(jié)構(gòu)在納米器件中的應(yīng)用。同時(shí)，這種簡(jiǎn)單、便宜、免催化和低溫的方法不僅可以用來(lái)合成分層次的ZnO納米結(jié)構(gòu)還可能用在其它材料的復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的制備中