溶胶-凝胶ZnO薄膜及其纳米棒阵列生长机制和性能研究

• 作 者: 黄楠
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 氧化锌薄膜 纳米棒阵列 薄膜生长 晶粒结构

氧化锌(ZnO)是一种宽禁带(3.37 eV)半导体，室温下具有较高的激子束缚能(60 meV)，是一种理想的短波长光电子材料，可应用于太阳能电池的窗口材料、表面声波器和气体传感器等众多领域。然而，本征态的ZnO薄膜电导率较低，需要通过掺杂Ⅲ或ⅡⅤ主族元素来提高其电导率，以满足实际应用的要求。其中Al掺杂的ZnO薄膜是目前研究最为广泛和深入的掺杂体系，这种薄膜具有在氢气等离子体中性质稳定、无毒和造价低廉等优点。与气相沉积技术对比，溶胶-凝胶技术拥有设备简单、成本低、成膜温度较低、易于实现成分的精确控制和可实现在大面积基片和特殊形状器件上镀膜等优点。因此，基于溶胶-凝胶技术开发的ZnO薄膜具有重要的应用价值。目前对溶胶-凝胶ZnO的研究主要集中于实验参数对薄膜光学、电学性能的影响上，而就其溶胶-凝胶过程对薄膜微观结构的影响则研究较少。本文建立过程参数与薄膜结构及最终性能的关系，为最终控制薄膜生长及调控性能提供理论基础和实验依据。实验表明，通过改变Al的掺杂浓度，薄膜从开始的柱状结构转变为粒状薄膜并最终发展成为一维纳米结构。经过一系列的检测分析，最终建立了一个生长模型，就ZnO薄膜随Al含量变化所引起的微观结构转变进行了解释。TEM结果表明，溶胶-凝胶ZnO纳米棒是大量小晶粒依据取向连接机制聚合形核和后续外延生长的结果。　　
本文发展了一种无模板溶胶一凝胶技术来制备有序ZnO一维纳米结构阵列，通过精心设计实验实现了一维纳米棒的可控性制备。TEM结果表明，ZnO纳米棒为单晶结构，其生长方向为[0001]方向。进一步分析表明，位于基片和纳米棒之间的薄膜的取向是决定纳米棒排布方式的关键因素，发现在具有高度择优取向的薄膜上可以获得良好垂直排布的纳米棒阵列。由于无需借助种子层和模板，因此这是一种可直接用来制备有序纳米棒阵列的技术，具有很好的商业应用前景。另外，通过增加提拉-热处理循环次数，成功制备了大长径比的ZnO纳米结构阵列，其光致发光谱呈现紫外光发射，绿光发射和蓝光发射等多个发射峰。本文通过设计梯度涂层对纳米棒形成的具体过程进行了探讨研究。我们还利用了纳米压痕系统，对单根ZnO纳米棒的力学性能进行了研究。最后经过简化实验过程达到了一步合成致密、大长径比ZnO有序纳米棒阵列的目的。实验结果表明溶胶浓度、提拉速度和热处理制度等因素对纳米棒生长过程产生影响，最后对其光学性能进行了研究。