《超声喷雾热解法制备ZnO纳米材料及其性能研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声喷雾热解法制备ZnO纳米材料及其性能研究（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、河北工业大学硕士学位论文 i超声喷雾热解法制备超声喷雾热解法制备 ZnO 纳米材料及其性能研究纳米材料及其性能研究 摘摘 要要 ZnO 纳米材料是多功能氧化物半导体材料和纳米材料的完美结合，其在液晶显示、太阳电池、传感器及紫外发光器等诸多领域有着巨大的应用潜力。超声喷雾热解法(USP)是一种简单、低成本的薄膜生长方法，它易于掺杂和实现大面积生长，目前已获得较高晶体质量的 ZnO 薄膜和 P 型 ZnO 薄膜，然而对纳米材料的研究却很少。 本论文利用 USP 技术制备了多种不同形貌的 ZnO 纳米结构，研究了工艺参数(衬底温度、 雾化速率、 衬底类型、 掺杂)对纳米 ZnO 结构性能的影响。 通
2、过扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射(XRD)和光致发光(PL)对不同条件下生长的纳米 ZnO 进行了表征。 不同衬底温度的普通玻璃衬底上获得了一维的 ZnO 纳米棒。研究发现，衬底温度对纳米棒的形成很关键。在 410时获得的“铅笔头”状 ZnO 纳米棒的晶格缺陷较少，结晶质量较好。 固定衬底温度为 410，微调雾量和生长时间，研究雾化速率对 ZnO 纳米棒的影响。结果表明，雾化速率为 0.267ml/min 时 c 轴取向度较好，纳米棒纯度较高。本系列实验还得到了二维的纳米梳，它是由纳米片上长齿形成的。 在 Si 和 FTO 衬底上获得了 ZnO 纳米片。测试发现，FTO 衬底上，410
3、得到的纳米片的结晶质量和光致发光特性最优；对于 Si 衬底来说，410获得纳米片的结晶质量较好，而光致发光特性则是 420时最优。 通过对 ZnO 掺 In 获得了 ZnO 纳米盘，掺 Al 获得了 ZnO 纳米花。结果发现，掺杂元素不仅可以优化薄膜的电学特性，而且对纳米结构的制备有重要的作用。 将 FTO 衬底上获得的 ZnO 纳米片作为光阳极应用于染料敏化电池中，制备了 ZnO 纳米片染料敏化太阳电池，其光电转化效率为 0.23%。 关键词：关键词：ZnO 纳米材料，纳米棒，纳米盘，纳米片，超声喷雾热分解法，ZnO 纳米片染料敏化太阳电池 超声喷雾热解法制备 ZnO 纳米材料及其性能研究
4、iiPREPARATION AND PROPERTIES STUDY OF ZnO NANOMATERIALS BY ULTRASONIC SPRAY PYROLYSIS ABSTRACT ZnO nanomaterials are an excellent combination of multifunctional oxide semiconductor and nanomaterials. It has much potential application in many fields, such as LCD displays, solar cells, sensors and UV
5、optical devices. Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP) technique has several advantages such as simplicity, low cost, the possibility of coat large areas and its ease of doping. It has been used to deposit the high qualities ZnO films and p type ZnO films at present. However, there are few reports about
6、ZnO nanomaterials by USP. Various ZnO nanostructures were prepared by USP. The influences of growth parameters on features of ZnO thin films were studied, such as substrate temperatures, substrate types, atomization flux and doping. Scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Pho
7、toluminescence (PL) spectrum were employed to characterize the features of ZnO thin films. ZnO nanorods were synthesized on glass at various substrate temperatures. The investigation of structure properties indicated that substrate temperature was the key factor to form ZnO nanorods. With the shape
8、of pencil-head, ZnO nanorods fabricated at 410 had higher crystal quality and lower defect. The effects of atomization flux on nanorods were studied by changing atomization and growth time. It was found that c-axis preferred orientation and the purity of nanorods were better at 0.267ml/min. Nanocomb
9、s were also obtained, which were formed by growing teeth on nanosheets. ZnO nanosheets consisting of nanosheet grains were prepared on FTO and Si substrates. For FTO substrate, nanosheets prepared at 410 had the best crystal quality and photoluminescence property. For Si substrate, the best crystal
10、quality was obtained at 410, but the best photoluminescence property was obtained at 420. ZnO nanodisks were obtained by doping In, and ZnO nanoflowers were fabricated by doping Al. The investigations indicated that dopant not only improved electricity characteristic, but also played an important ro
11、le on synthesizing nanostructure. 河北工业大学硕士学位论文 iiiZnO nanosheets fabricated on FTO were used in dye-sensitized solar cells as photo anode. Dye-Sensitized Solar Cell based on ZnO nanosheets with 0.23% conversion efficiency has been obtained. KEY WORDS: ZnO nanomaterials, nanorods, nanodisks, nanoshee
12、ts, ultrasonic spray pyrolysis (USP), dye-sensitized solar cell based on ZnO nanosheets 河北工业大学硕士学位论文 1第一章 绪论 第一章 绪论 1-1 纳米材料的特性及纳米材料的特性及 ZnO 纳米材料的用途纳米材料的用途 1991 年，日本 NEC 公司的 Iijima 教授在石墨电极电弧放电的阴极沉积物中发现了碳纳米管1，自此具有准一维纳米结构的各类金属、 半导体以及氧化物材料相应制备成功， 从而开辟了纳米研究的新领域。纳米材料的合成、组装及性质的研究将有助于在原子或分子水平上认识晶体的成核与生长，有助
13、于进一步探索材料的维控制与它们奇特性质之间的关系， 为将来实现在分子水平上设计、 制造电子器件打下了基础。由于半导体氧化物在光学、光电、催化、压电等领域独特而新颖的应用，基于半导体氧化物的纳米材料的研究引起了世界范围内广泛关注。 1-1-1 纳米材料的特性纳米材料的特性 “纳米”是一个很小的长度计量单位，1nm=10-9m。纳米尺度比原子尺寸略大(约为十几个原子排列起来那么长)，大约相当于一根头发丝直径的万分之一。纳米结构材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(0.1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，并且具有与常规体材料截然不同的电学、磁学、光学、热学、化学、力学等理化性质。
14、纳米结构材料是当今物理、化学、材料、生物等多学科交叉的一个新兴学科领域。 它的最终目标是人类能够按照自己的意愿直接操纵单个原子， 制造具有特定功能的产品。 纳米材料的基本单元通常包括： 零维纳米材料，即空间三维均在纳米尺度的纳米颗粒或团簇； 一维纳米材料，即有两维处在纳米尺度的纳米线、纳米棒、纳米管等； 二维纳米材料，即有一维处在纳米尺度的纳米薄膜、多层膜、超晶格等。 当材料的尺寸进入纳米量级时，表现出与常规材料完全不同的特性： 1量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散态， 以及纳米半导体微粒存在不连续的被占据的最高分子轨道能级和未被占据的最低分子轨
15、道能级， 这种能隙变宽的现象均被称为量子尺寸效应2。因此，材料中电子的能级或能带与组成材料的颗粒尺寸有密切关系。 日本科学家久保(R.Kubo)提出了能级间距和金属颗粒直径的关系，给出了著名的久保公式： 311 34 dVNEF= (1.1) 其中为能级间距；EF为费米能级；N 为总电子数。宏观物体包含无限个原子(即所含电子数N)，于是0，能级连续，即大粒子或宏观物体的能级间距几乎为零；而纳米颗粒包含的原子超声喷雾热解法制备 ZnO 纳米材料及其性能研究 2 数有限，N 值有限，导致有一定的值，即能级间距分裂。而随着粒径减小，能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，则量子尺
16、寸效应显著，纳米微粒表现出与宏观特性显著不同的磁、光、电、热、声及超导性。 2小尺寸效应：当超细微粒的尺寸与光波波长、电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时， 晶体周期性的边界条件将被破坏， 非晶态纳米微粒的表面层附近原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性发生改变，称为小尺寸效应，又称为体积效应3。这大大扩充了材料物理以及化学特性范围，为实用技术开拓了新的领域。例如，纳米尺度的强磁性颗粒具有很高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性液体等；纳米材料的熔点远低于块体材料的熔点，这为粉末冶金提供了新的工艺思路；利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，通过改变颗粒尺寸，控制吸收边位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽以及隐形武器装备等。 3表面效应4：纳米粒子表面原子与总原子数之比，随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质变化。粒径减小，使得比表面积急剧变大，处于表面的原子数就越多。由于表面原子数
