二維Zn、ZnO和MgxZn1-xO薄膜的電沉積與基礎(chǔ)理論研究.pdf

1、Zn元素被廣泛運(yùn)用于工業(yè)發(fā)展中。本文圍繞Zn及其氧化物ZnO展開研究。近年來(lái)，異質(zhì)金屬基體上欠電位沉積超薄金屬層的實(shí)驗(yàn)與理論研究已成為研究熱點(diǎn)。研究開發(fā)具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的微/納米金屬鋅材料具有重要意義和明確的應(yīng)用價(jià)值。ZnO是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，晶型屬于六方晶系，具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，它具有資源豐富、無(wú)毒性、在等離子體中穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望取代廣泛使用的、稀有而昂貴的錫摻雜氧化銦(ITO)的透明導(dǎo)電膜，在太陽(yáng)能電池、液晶顯

2、示器、發(fā)光器件、氣敏傳感器等光電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)已引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。相對(duì)于傳統(tǒng)的薄膜制備方法，電化學(xué)沉積方法具有簡(jiǎn)單、廉價(jià)、高產(chǎn)率的特點(diǎn)，顯示出廣泛的應(yīng)用前景。本文研究?jī)?nèi)容及主要結(jié)果如下：
　　采用密度泛函理論計(jì)算與電化學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了Zn在Au電極上的欠電位沉積行為。結(jié)果表明：Zn能在 Au上欠電位沉積。Zn欠電位沉積于金襯底上初始沉積電位約為-0.935V，且遵循二維瞬時(shí)形核和生長(zhǎng)機(jī)制；OH在

3、Zn欠單層上形成共吸附結(jié)構(gòu)，可增加欠電位吸附的鋅的穩(wěn)定性，從而形成具有高電極活性的單層結(jié)構(gòu)。
　　采用電化學(xué)沉積法在ITO玻璃襯底上制備出了ZnO薄膜。詳細(xì)討論了電沉積電壓、時(shí)間、溫度、電解質(zhì)濃度等諸多因素對(duì)薄膜的影響。最佳的沉積條件為：使用不高于0.10mol/L Zn(NO3)2水溶液作為電沉積液，電壓控制在-1.0V左右，反應(yīng)溫度為65?C，沉積時(shí)間為10~25min。且加入合適的表面活性劑及 Cl?存在有利于低維ZnO納米

4、結(jié)構(gòu)的形成。
　　采用第一性原理平面波超軟雁勢(shì)方法，對(duì)ZnO本征點(diǎn)缺陷及Mg摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，并利用電沉積方法成功地制備了MgxZn1-xO薄膜(0≤x≤0.250)，分析了薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。結(jié)果表明：①VO、ZnO和Zni以施主形式存在；VZn、OZn與Oi以受主形式存在；Zni的存在是未摻雜ZnO呈n型導(dǎo)電的主要原因。②MgxZn1-xO合金薄膜保持六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)；在同波長(zhǎng)的激發(fā)光的作用下，隨著Mg2+含量的