zno纳米棒薄膜的制备与性能研究

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1、济南大学硕十学位论文摘要氧化锌(ZnO)是一种宽禁带直接带隙II_VI族的具有纤锌矿结构的半导体功能材料，室温下禁带宽度EgY93．37eV，激子束缚能高达60meV，并具有良好的化学稳定性及优良的抗氧化、耐潮、耐高温性能，使得它成为一种很有前途的紫外光电子器件材料。ZnO纳米材料特别是高度取向排列的ZnO纳米棒薄膜，具有独特的电学、光学性能和大比表面积等优点，在发光、催化、压电传感器、气体传感器和太阳能电池等领域都有广阔的应用前景。因此，采用水热法这种设备简单、操作方便，并能制备形貌可控、均匀性好的溶液化学法制备ZnO纳米棒薄膜，具有很重要的现实意义。ZnO薄膜不仅具有

2、良好的载流子扩散导电性，而且从近紫外到红外波段都具有非常高的透过率。它不但可光伏器件的透明窗口，而且可以作为一种n型半导体材料与P型半导体材料制备成为异质结构。由于ZnO基异质结前后两种材料的禁带宽度不同，利用这种窗口效应可以提高入射光的收集效率，理论上可以获得比同质结电池高很多的转换效率。CuSCN具有较高的电荷传输性能和稳定性、合适的禁带宽度，透光性好等特点，可以通过电化学沉积方法组装ZnO／CuSCN异质结用于光伏器件的研究。本论文主要内容以及创新点如下：1、两步法制备ZnO纳米棒薄膜(1)第一步首先利用溶胶凝胶法在玻璃基底上制备了一层(002)择优取向、均匀致密的

3、ZnO种子层薄膜。制备ZnO种子层薄膜的最佳工艺：溶胶浓度为0．5mol／L、旋涂速度为4500r／min、预热处理温度为250"cOomin)，然后快速升温至500。C(20min)的后退火工艺。制备的ZnO种子层薄膜表面均匀平整度好，粗糙度不到1nlTI，晶粒的平均直径大约为40nlTI。研究了单层(002)取向择优的ZnO种子层薄膜的对后续ZnO纳米棒直立性、直径、长度等形貌的影响。(2)第二步利用水热法在ZnO种子层基底上生长ZnO纳米棒。采用HMT作为释氨剂时，研究了生长溶液pH、ZnO纳米棒外延生长初期对ZnO纳米棒最终形貌的影响机理，探索出制备形貌可控的Zn

4、O纳米棒薄膜的最佳工艺。最终在60mL单位溶液中添加1．9mLPEI，溶液pH为8．0的条件下，95℃生长4h，制备得到了(002)高度择优、直径为80nm，长度约为6岬的ZnO纳米棒薄膜。该实验是对我们前期工作的一个突破。IIIZnO纳水棒薄膜的制备与。r￡能研究(3)在第二步中改用尿素作为释氨剂，研究了生长溶液在水热过程中发生的化学反应以及中间产物碱式碳酸锌的形成条件。通过添加聚乙烯亚胺，首次通过采用尿素作为释氨剂直接在溶液中制备了ZnO纳米棒薄膜。在单位60mL0．05mol／L生长液中添加3．5mLPEI，95℃生长4h制备得到了直径约80nln，长度约为1．2岬

5、的ZnO纳米棒薄膜。2、电化学沉积法制备CuSCN／ZnO异质结及其整流性能测试(1)配制稳定的Cu2+及SCN。的水基电沉积溶液，需要满足在ZnO纳米棒薄膜上沉积CuSCN薄膜而不至于溶解ZnO的要求。研究了CuSCN薄膜的电化学沉积工艺。得到了最佳的制备CuSCN薄膜的溶液组成：即Mcu2+：MDEA：MSCN。为1：5：1、Cu2+浓度为o．02mol／L。当在电沉积电位为．1．0V，20℃温度下沉积30分钟后，制备出的CuSCN薄膜晶粒细小，致密度较高，在可见光区具有较好的透光性，是一种具有增透性的CuSCN薄膜。薄膜的平均粒径约为100Bin，薄膜的光学带隙为3

6、．9eV。(2)研究采用改变溶液浓度、沉积电压、沉积温度等工艺来实现CuSCN在ZnO纳米棒薄膜中的充分填充。利用XRD、SEM和FESEM来表征ZnO／CuSCN异质结，分析各种因素对异质结界面接触程度的影响，并制备出具有较高整流性能的异质结。结果表明，界面接触致密的ZnO／CuSCN异质结的沉积工艺为在沉积温度为15℃下沉积25分钟，然后在35℃下沉积95分钟以上。其中沉积CuSCN薄膜2个小时和3个小时制备的异质结分别具有190和220的高整流比，表明CuSCN薄膜在ZnO纳米棒薄膜上的完全填充，异质结具有优良的整流特性。关键字：ZnO纳米棒，尿素，异质结，水热法，

7、电化学沉积法IV济南人学硕士学位论文AbstractAsawidebandgapsemiconductor诵tllwurtzitecrystalstructure，ZnOisapromisingI卜VIgroupsemiconductorfunctionalmaterial．Ithasattractedmuchattentionforits、枋dedirectbandgap(3．37eV)andlargeexcitonbindingenergy(60meV)atroomtemperature，whicharehighertha