陰極電沉積法制備ZnO納米棒陣列微結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性等性能的研究.pdf

1、ZnO是具有3.37eV能隙的寬帶隙半導(dǎo)體，由于其在電子、光子和光學(xué)及生物等領(lǐng)域的出色表現(xiàn)，可廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域。為了制備不同尺寸，晶體結(jié)構(gòu)，晶形和顆粒形狀的ZnO，開(kāi)發(fā)了多種制造方法。本文使用陰極電沉積法制備ZnO納米棒陣列，利用X射線衍射儀、掃描電鏡、接觸角測(cè)量?jī)x、拉曼光譜儀等測(cè)試儀器，研究?jī)煞N基底（ITO/Ti片）上改變沉積時(shí)間、電解液組成成分比例對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)形貌、潤(rùn)濕性以及光學(xué)性能等的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：

2、⑴通過(guò)改變電化學(xué)沉積的時(shí)間在ITO基底上制備ZnO納米棒陣列。XRD結(jié)果表明ZnO呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，隨著電沉積時(shí)間的增長(zhǎng)，結(jié)晶度以及002方向的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)都得到增強(qiáng)，同時(shí)納米棒的直徑、表面粗糙度和ZnO納米棒陣列的厚度都變大。所有的樣品都展現(xiàn)出疏水性，水接觸角在電沉積120min時(shí)逐漸上升到120°，經(jīng)過(guò)10min紫外光照，ZnO納米棒陣列表面潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)化為親水性，光照后水接觸角與未經(jīng)紫外照射前的比例為73.5％、63.5％、48.3％

3、和24.2％，分別對(duì)應(yīng)沉積時(shí)間10min、30min、60min和120min的樣品。光致發(fā)光(PL)光譜結(jié)果顯示隨著電沉積時(shí)間的增加，ZnO的紫外發(fā)光峰（本征發(fā)光峰）的峰強(qiáng)比由2.26％提升到63.84％，同時(shí)可見(jiàn)光發(fā)光峰（缺陷導(dǎo)致的發(fā)光峰）的峰強(qiáng)比降低，說(shuō)明沉積時(shí)間從10min增長(zhǎng)至120min, ZnO薄膜的內(nèi)在缺陷減少。拉曼圖譜的分析表明，ZnO納米棒陣列在這些條件下呈現(xiàn)439cm-1，566cm-1，和1097cm-1三處特征

4、峰，分別對(duì)應(yīng)了ZnO陣列的E2光聲子振動(dòng)模、E1L光聲子振動(dòng)模以及E3單晶振動(dòng)模。⑵保持其他條件不變，改變電解液濃度組成（Zn2+濃度不變），在Zn(NO3)2中摻入ZnCl2溶液，XRD結(jié)果表明，所有的峰都?xì)w因于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸隨著ZnCl2濃度的增加而變小，晶核數(shù)量增加，同時(shí)c軸(002)方向擇優(yōu)取向減弱。SEM結(jié)果顯示，隨著Zn(NO3)2濃度的降低，納米結(jié)構(gòu)由棒狀變?yōu)殄F狀，其中ZnO的直徑，除了濃度比為1∶1的樣品之外，

5、持續(xù)減小，且納米結(jié)構(gòu)的頂端由“吞并”狀態(tài)改變?yōu)檫h(yuǎn)離，間隙得到增加。PL光譜顯示Zn(NO3)2電解液制備的樣品A紫外發(fā)射峰相對(duì)較強(qiáng)，隨著電解液中ZnCl2濃度比的增加，紫外發(fā)射峰比率增強(qiáng)，純ZnCl2電解液制備的樣品E的紫外發(fā)射峰比率為最小，缺陷最多，隨著氯離子濃度的增大，一個(gè)極少見(jiàn)的位于350nm處的發(fā)光峰逐漸顯現(xiàn)。在紫外照射之前所有的樣品均表現(xiàn)為較強(qiáng)的疏水性，且隨著ZnCl2濃度的增長(zhǎng)，水接觸角有先增加后減小的趨勢(shì)，可能與表面粗糙度

6、變大以及結(jié)晶度變差的綜合結(jié)果有關(guān)。ZnO納米棒陣列的可潤(rùn)濕性在15分鐘紫外照射后從疏水性改變?yōu)橛H水性，并且水接觸角的光誘導(dǎo)變化從45.8至12.9％，這可能是與潤(rùn)濕模型的變化、ZnO納米結(jié)構(gòu)的表面粗糙度大小差異以及間隙有關(guān)。紫外吸收譜表明，隨電解液中氯離子濃度的增加而增加，禁帶寬度不斷增加至3.34接近標(biāo)準(zhǔn)值3.37eV。⑶改變沉積時(shí)間在Ti片上制備ZnO納米棒陣列。SEM結(jié)果顯示，所有樣品均為棒狀六棱錐形貌，隨著電沉積時(shí)間的增加，納米

7、棒的直徑、棒之間的間隙減小。在PL光譜中所有樣品都具有窄的紫外發(fā)射峰，在可見(jiàn)光區(qū)顯示寬的發(fā)光區(qū)，并且隨著電沉積時(shí)間增加，缺陷先減小后增加，在45 min時(shí)候達(dá)到最小。樣品的沉積時(shí)間由15分鐘增長(zhǎng)到60分鐘，在紫外照射之前的水接觸角逐漸變小，這可能與表面粗糙度變小有關(guān)。ZnO納米棒陣列的可潤(rùn)濕性在2小時(shí)紫外照射后全部轉(zhuǎn)換為超親水性，并且水接觸角還原率的光誘導(dǎo)變化先變大后變小，在45 min時(shí)達(dá)到最大，這可能與潤(rùn)濕模型的轉(zhuǎn)變、ZnO納米棒陣