ZnO纳米棒阵列溶胶-凝胶法制备及可控生长研究

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一维ZnO纳米棒阵列因其独特的结构,在光学、电学、光催化及光电转化等领域具有良好的应用前景。制备一维ZnO纳米棒阵列的方法较多,其中溶胶-凝胶法相比于其它制备方法具有设备简单、成本低、易于实现元素的掺杂、能精确控制成分、易于实现大面积基片的沉积、可用于工业化生产等优点,但利用溶胶-凝胶法制备ZnO纳米棒阵列的生长机制尚不清楚,其长径比、致密度和取向的可控性差。本研究旨在建立合适的生长模型,达到对ZnO纳米棒阵列长径比、致密度和取向可控生长的目的,这对促进采用溶胶-凝胶法制备一维ZnO纳米棒阵列具有重要的意义。本研究采用溶胶-凝胶法制备ZnO纳米棒阵列,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和荧光分光光度计(PL)实验技术对ZnO纳米棒阵列的微观组织、晶体结构和光学性能进行了较为系统的研究。主要研究工作如下:采用溶胶-凝胶法在衬底玻璃上制备ZnO纳米棒阵列,研究制备参数对ZnO纳米棒阵列结构的影响,确定制备ZnO纳米棒阵列的最佳工艺参数。结果表明:当Al的掺杂浓度为4.0 at.%、预处理温度为513 K、终处理温度为823 K、终处理时间为30 min时,ZnO纳米棒阵列具有最佳的长径比、致密度和取向。采用溶胶-凝胶法在制备过程中进行原位加热,研究热场对ZnO纳米棒阵列结构的影响。原位加热能够使掺杂元素分布更均匀影响ZnO纳米棒阵列的形核及生长,提高ZnO纳米棒阵列的致密度和长径比。采用溶胶-凝胶法分别在不同过渡层和衬底上制备一维ZnO纳米棒阵列,研究衬底表面对ZnO纳米棒阵列结构的影响。除了衬底表面,通过控制单层薄膜的厚度,研究薄膜界面对ZnO纳米棒阵列结构的影响。综合实验结果及分析,建立了合适的生长模型。ZnO纳米棒阵列的生长先通过取向连接机制形成较大的纳米颗粒或纳米丘,较小的纳米颗粒通过定向附着机制沿[0001]方向定向附着,薄膜表面析出的Al2O3的阻碍抑制面内生长,促进面外生长,根据竞争生长机制,ZnO纳米棒阵列逐渐形成。根据建立的生长模型,改变掺杂元素,使用La和Al共掺杂,研究共掺杂元素对ZnO纳米棒阵列结构和性能的影响。结果表明:La和Al共掺杂,随着La掺杂浓度的增加,能明显提高ZnO纳米棒阵列的长径比。当只有La掺杂时,ZnO纳米棒阵列的长径比较为均匀,但取向较差。其光学性能,随着La掺杂元素的增加,紫外发光峰发生蓝移,紫外发光峰的强度增强。
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