水溶液法ZnO薄膜的生长和形貌控制

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ZnO是一种重要的Ⅱ―Ⅵ族半导体化合物,能广泛应用于光电领域。本文采用水溶液生长法,以硝酸锌和氨水为前驱生长液,通过衬底表面晶种层的外延生长方式,制备了高取向的六方纤锌矿氧化锌(ZnO)纳米/微米棒晶阵列薄膜。研究了ZnO棒晶在水溶液中外延生长的机理。考察衬底微结构、生长时间和初始锌离子浓度等对ZnO棒晶尺寸的影响。在生长溶液中添加硝酸镉,通过调节生长液中硝酸镉的浓度、pH值、硝酸镉的加入方式以及生长时间等考察了对ZnO薄膜形貌的影响。在生长溶液中加入氯化钠、柠檬酸钠、硝酸铵以及氟化铵研究了ZnO薄膜形貌的变化。利用XRD、SEM、EDS、FESEM、TEM和HRTEM等方法分析和表征了制得的ZnO薄膜的物相组成、晶体形貌和组织结构等。实验发现在氨水体系中加入硝酸镉,由于静电力作用,到正电的[Cd(NH3)6]2+与[Zn(NH34]2+竞争吸附于ZnO晶体(0001)负极性面,迫使大量[Zn(NH34]2+吸附于ZnO晶体的(1000)和(1010)晶面,导致棒径方向的生长速率增大,制备出直径高达700nm的ZnO棒晶,棒晶之间相互嵌合生长,得到了高取向、高致密度的ZnO多晶取向薄膜。生长溶液中加入柠檬酸钠后制备出片状ZnO;加入氟化铵后制备出针状ZnO。本文通过考察晶种层衬底微结构、生长时间和初始锌离子浓度等研究了水溶液法ZnO的外延生长规律。实验结果表明:排列整齐一致的ZnO纳米棒晶阵列的制备需要衬底表面涂敷ZnO晶种层;随着生长时间的增加,棒的尺寸增大;生长液初始锌浓度主要影响棒的c轴方向的生长速率,浓度的增大有利于ZnO棒晶阵列的致密度以及整齐度;生长液中加入硝酸镉后,随着初始镉离子浓度的增加,棒径从~180nm增至~400nm;增大初始pH值后,ZnO棒晶的尺寸无明显变化,但薄膜由致密变的疏松,原因是小棒径的ZnO棒晶溶解; ZnO在原Zn(NO32/NH3·H2O体系中生长1h后再置入[Zn(NO32、Cd(NO32] /NH3·H2O生长体系,随着二次生长液中镉离子浓度由0.012 M增至0.03 M时,棒径从~300 nm增至~700nm,且相互嵌合生长在一起,出现棒晶二次生长的现象。通过在生长液中添加Cd(NO32,可实现大范围棒径尺寸的调节,其棒径的范围为~180nm至~700nm,并能制备出高取向、高致密度的ZnO多晶薄膜。
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