过渡元素掺杂的ZnO薄膜的制备及性能研究

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一维ZnO纳米结构具有大的禁带宽度和比表面积,广泛应用于透明电极、非易失性存储器、太阳能电池、紫外光发射器及稀磁半导体等领域。对ZnO纳米结构形貌的调控及过渡金属元素的掺杂都会引起材料光、电、磁性能的巨大改变,因而实现对ZnO尺寸、形状和结构的精确控制以及进行掺杂改性一直是ZnO纳米材料研究的热点。本论文采用湿化学法(水热法、化学溶液法)合成了Ni2+掺杂的ZnO阵列膜,利用XRD、SEM、EDS、拉曼光谱、PL谱、I-V测试与场发射测试等技术手段对阵列膜样品的物相、形貌、组分、微结构及光、电性能等进行了表征及分析。此外,本文还采用二次水热的方法合成了NiO/ZnO纳米复合结构。论文的主要内容如下:(1)采用水热法合成Ni2+掺杂的ZnO阵列膜,研究Ni2+掺杂浓度、无水乙醇及水热时间等对产物晶相结构、表面形貌、光谱及电致阻变特性的影响。结果表明,Ni2+可有限固溶于ZnO的晶格中,一定范围内进行掺杂不会影响ZnO的晶相组成,但在掺杂量较高时对晶体的生长习性有显著影响并会破坏其六方晶体结构。适量掺杂有助于改善晶体结晶性、减少结构缺陷。在一定范围内提高Ni2+掺杂量可有效增大紫外发光峰与绿光发光峰峰强的比值,降低薄膜器件的开启电压。(2)采用化学溶液沉积法合成Ni2+掺杂的ZnO阵列膜,研究Ni2+掺杂量、NaOH浓度和沉积温度对ZnO纳米棒阵列的影响,并对各种反应条件的影响机制进行探讨。掺杂Ni2+可有限固溶入ZnO晶格,但固溶度偏低;适量掺杂有助于改善纳米棒的结晶质量,但过量后会引入较多施主缺陷并抑制晶体的结晶和取向生长。合成纳米棒的结晶生长对NaOH浓度变化十分敏感,在其浓度为0.3M时获得ZnO纳米棒的结晶性最佳、长度最长。(3)采用二次水热法合成NiO/ZnO纳米复合结构,对旋涂NiO溶胶、二次水热时间等因素的影响进行了研究,探索了调控纳米棒粒径的工艺方法。结果表明,采用二次水热法可直接在ZnO纳米棒上生长NiO纳米片。延长二次水热时间对NiO/ZnO纳米复合结构影响不大,但薄膜表面覆盖的的NiO层厚度会增加。在硝酸锌/HMT体系中引入氨水可显著抑制ZnO纳米棒的横向生长,获得产物具有类线束的形貌。
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