化學氣相沉積法制備ZnO納米結(jié)構(gòu)材料及其表征.pdf

1、由于半導體氧化物在光學、光電、催化、壓電等領(lǐng)域獨特而新穎的應(yīng)用，其合成和應(yīng)用引起了人們的極大關(guān)注。ZnO是一種重要的直接寬帶隙半導體，室溫下禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能為60 meV，在制造電子和發(fā)光器件上有巨大潛力。而納米ZnO則表現(xiàn)出與體材料明顯不同的電學、磁學、光學、化學等性質(zhì)。2001年王中林教授發(fā)現(xiàn)半導體氧化物納米帶后，基于氧化物的一維納米材料成了納米材料新的研究熱點。目前，研究人員對ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備和生長機理的研

2、究有很多，已經(jīng)采用了各種不同技術(shù)制備了各種形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米棒、納米帶、納米環(huán)等。
　　我們研究小組采用化學氣相沉積法成功制備出多種ZnO的納米結(jié)構(gòu)，通過改變實驗溫度、恒溫時間、所用催化劑的濃度等因素，找出了各種納米結(jié)構(gòu)的最佳生長條件。本文在綜述目前ZnO納米材料的基本性質(zhì)、制備方法、摻雜以及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，闡述了各種納米結(jié)構(gòu)的制備方法，并利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)

3、、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、能量散射X射線(EDX)譜、選區(qū)電子衍射譜(SAED)和光致發(fā)光(PL)光譜等測試手段詳細分析了最佳生長條件下所制備的ZnO納米材料的結(jié)構(gòu)、組分、形貌和光致發(fā)光特性。基于實驗條件，初步討論了各種納米結(jié)構(gòu)的形成機理。取得的主要結(jié)果如下:
　　1. ZnO納米棒
　　采用化學氣相沉積法在涂有NiCl2溶液的Si(111)襯底上制備了ZnO納米棒。首先用浸漬法在Si(111)襯底上鍍一層 Ni

4、Cl2薄膜，然后在Ar氣氣氛中利用C還原ZnO粉末制備出 ZnO納米棒，反應(yīng)溫度為1050℃，恒溫時間為30分鐘。制備的納米棒為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的單晶ZnO，納米棒表面光滑平直，直徑在150-200nm的范圍內(nèi)，大部分長度為幾十μm，頂端沒有發(fā)現(xiàn)納米顆粒。最后，對ZnO納米棒的生長機制進行了討論。
　　2. ZnO納米錐
　　采用化學氣相沉積法在涂有Ce(NO3)3溶液的Si(111)襯底上制備了ZnO納米錐。首先用浸漬法在S

5、i(111)襯底上鍍一層Ce(NO3)3薄膜，然后在Ar氣氣氛中利用C還原ZnO粉末制備出ZnO納米錐，反應(yīng)溫度為1050℃，恒溫時間為30分鐘。并在對比試驗中制備出了ZnO納米柱。XRD、FTIR、HRTEM和SAED都表明所制備的納米錐為純的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO。最后，對ZnO納米錐的生長機制進行了討論。
　　3. Sn摻雜 ZnO納米針
　　采用熱氧化 Sn:Zn薄膜的方法在Si(111)襯底上制備了Sn摻雜 ZnO納

6、米針。首先利用射頻磁控濺射技術(shù)在Si(111)襯底上制備Sn:Zn薄膜，然后在650℃時在Ar氣中退火發(fā)生氧化反應(yīng)合成了Sn摻雜的ZnO納米針，反應(yīng)時間為15分鐘。應(yīng)用多種測試手段對Sn摻雜的ZnO納米針的結(jié)構(gòu)、形貌和光致發(fā)光等特性進行測試。結(jié)果表明，制備的樣品為中摻雜了少量的Sn元素，但是仍為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。大部分納米針長度在1μm至3μm范圍內(nèi)，根部直徑200-500nm，尖部直徑大約是40nm。最后，初步分析了這種方法生長 ZnO

7、納米針的機制。
　　4. ZnO納米刷
　　以Si(111)基片為襯底，采用化學氣相沉積法，在900℃條件下，ZnO和C粉恒溫反應(yīng)20分鐘，然后停機停氣等待20分鐘，制備出大量 ZnO納米刷。它們由中心的納米棒和環(huán)繞納米棒的釘狀納米結(jié)構(gòu)組成。納米釘表面非常光滑，沒有任何外延層，且尺寸均勻，由釘帽、釘身以及連接二者的細的釘頸組成。納米釘?shù)纳L方向為[0110]，其連接的納米棒的生長方向為[0001]，所制備的納米刷是六方結(jié)構(gòu)的