ZnO薄膜低温水溶液化学法制备研究

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ZnO是一种在光电领域中具有重要地位的半导体材料。本文开展了以Zn(NO32/HMT、Zn(NO32/NaOH、Zn(NO32/NH3H2O为反应体系的水溶液化学法低温制备ZnO薄膜的研究。分析了不同体系中的化学反应过程及生长行为,研究了衬底状态、生长溶液浓度、生长时间、pH值等工艺参数对薄膜生长的影响,并对薄膜柱晶等特殊形貌晶体的生长机理进行了探讨。开展了对水溶液生长的薄膜进行腐蚀的研究,研究了腐蚀条件对薄膜形貌的影响,并对其中涉及的腐蚀机理进行了分析。研究表明:Zn(NO32/HMT生长系统内获得的柱晶是c轴取向的六方纤锌矿结构,薄膜的晶粒成核方式主要为异质成核,柱晶的生长方式为层-层生长。生长的ZnO柱晶的尺寸和尺寸分布与晶种层ZnO晶粒有着相同的变化趋势。随着生长液浓度的增加,ZnO棒晶的平均直径明显增大。生长体系长时间放置,会导致二次生长,形成板状晶粒。加入NaCl后,随着NaCl浓度从0M提高到0.1M,晶粒平均直径从0.2μm增加到1.3μm。具有特性吸附的有机助剂AcAc的加入形成了大量的金字塔状的晶体。Zn(NO32/NaOH、Zn(NO32/ NH3H2O生长体系中生长的薄膜是沿(002)方向择优生长的六方纤锌矿结构。对于一定浓度的锌离子,NaOH系统生长的ZnO直径在纳米尺度范围。而氨水由于[Zn(NH34]2+的电离平衡具有缓冲作用,可以在较大的范围内变化,因而可以获得较大直径变化的ZnO柱晶。NH3·H2O生长系统,可以调节pH值来控制薄膜的生长。对于碱性溶液体系,ZnO合适的生长温度为7090℃,通过调节温度,可以改变纳米棒的生长速率。对获得的柱晶薄膜使用氨水腐蚀可以获得新的薄膜结构。对于给定的柱晶薄膜使用较大浓度的腐蚀溶液,可以加快柱晶的溶解速度。柱晶腐蚀过程不是生长过程的简单逆过程。柱晶的腐蚀过程为:柱晶的极性面中部首先形成蚀坑,形成类管状晶体;形成ZnO的片晶阵列。台阶的形成是腐蚀发生的动力学条件,一定浓度的腐蚀溶液在达到腐蚀平衡后通过溶解-生长机制会发生纳米线的二次生长。
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