基于柔性襯底水熱生長zno納米結構及其性能研究

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1、分類號７２：１０７２０：Ｏ４單位代碼密級：公開學號：１５０８０５０３０７ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｙｏ碩士學位論文基于柔性襯底水熱生長ＺｎＯ納米結構及其性能研究ＨｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｇｒｏｗｔｈａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＺｎＯｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｂａｓｅｄｏｎｆｌｅｘｉｂｌｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ論文作者：王維指導教師、職稱：艾桃桃教授：材料加工工程學科、專業(yè)名稱研究方向：半導體納米材料與光電器件

2、二〇一八年六月分類號：O472單位代碼：10720密級：公開學號：1508050307碩士學位論文基于柔性襯底水熱生長ZnO納米結構及其性能研究HydrothermalgrowthandpropertiesofZnOnanostructuresbasedonflexiblesubstrates論文作者：王維指導教師、職稱：艾桃桃教授學科、專業(yè)名稱：材料加工工程研究方向：半導體納米材料與光電器件二○一八年六月摘要基于無機半導體納米材料的柔性光電子器件，以其獨特的延展性、高品質性和形狀可變性，在電子

3、皮膚、可延展的無機發(fā)光二極管、柔性顯示器、柔性太陽能電池以及可穿戴電子傳感器等領域具有廣泛的應用前景，已然成為新一代半導體光電器件的重點研究方向，能夠極大地滿足社會信息智能化發(fā)展和現(xiàn)代生活對高品質光電子產(chǎn)品的需求。ZnO半導體納米材料擁有較寬帶隙、較高激子束縛能、低電阻率、在可見光區(qū)光學透過率高、紫外光下產(chǎn)生大量電子-空穴對等一系列的優(yōu)異物理化學性能，被認為是最有希望替代氧化銦錫（In2O3:Sn，ITO）的一種透明導電氧化物，在光電子器件領域表現(xiàn)出巨大的應用潛力，如納米發(fā)電機、紫外光探測器和激光器等。

4、然而，本征ZnO晶體內(nèi)部可以自由移動的載流子較少，導電性能較差，不能滿足高品質ZnO基光電子器件的要求，嚴重制約了其發(fā)展。通常，將容易實現(xiàn)的n型摻雜元素（B，Al，Ge，Si，F(xiàn)等）引入ZnO晶格中來形成雜質半導體，進一步提高ZnO納米結構的電子-光學性能。柔性電子器件與傳統(tǒng)光電子器件最本質的區(qū)別在于利用柔性生長基底取代剛性基底。聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）雖然在可見光范圍內(nèi)擁有較高的透過率和較大的耐熱度，但是直接在單一的PET襯底上制備ZnO納米結構容易引發(fā)晶格失配與熱失配等問題，不利于ZnO晶體的

5、生長。ITO或石墨烯（GR）涂覆的PET雙層膜（PET–ITO或PET–GR）不僅可以有效地減緩上述問題，還可以發(fā)揮緩沖層的作用，增強ZnO納米結構與襯底的結合，促進界面處電子的傳輸，為電荷傳遞提供“快速通道”，是良好的柔性襯底材料。本文先后以PET–ITO和PET–GR作為生長基底，采用離子濺射技術輔助的水熱法在柔性襯底上制備多形貌的ZnO納米結構，系統(tǒng)地分析了工藝-結構-性能之間的關系，探索不同形貌納米ZnO結構的生長機制，討論Al-ZnO/PET–GR、B-ZnO/PET–ITO和Au/B-ZnO

6、/PET–GR等多級復合結構的光電、電化學和光催化性能，主要的研究內(nèi)容如下：（1）在PET–GR襯底上制備Al原子摻雜濃度分別為0%，3%，6%，9%，12%和15%的Al-ZnO/PET–GR復合結構。研究結果表明，Al原子是以氧化態(tài)的形式存在于ZnO晶格中，隨Al摻雜量的不斷增加，ZnO納米棒的直徑不斷增大，Al-ZnO/PET–GR的光致發(fā)光光譜出現(xiàn)明顯的紅移現(xiàn)象。Al-ZnO薄膜的最大遷移率高達154.109cm2V-1s-1，電I阻率最低為0.656Ω·cm。適量Al原子的摻入能夠有效提高復合

7、結構的電化學性能，9%Al-ZnO/PET–GR異質結的光生電流密度和電極內(nèi)阻分別達到0.7μA/cm2和7Ω。（2）利用水熱法在PET–ITO襯底上制備出B摻雜ZnO片層球。與純ZnO相比，B摻雜后ZnO的晶格常數(shù)增大，ZnO的形貌從納米棒演變成片層球。所制備的B-ZnO/PET–ITO異質結具有明顯的整流特性，二極管的正向開啟電壓為0.4V。利用非線性擬合的方法，探討了在0~2V的正向電壓作用下，復合結構的電流輸運機制。以B-ZnO/PET–ITO為光催化劑進行光催化降解實驗，得到復合結構的最大降解

8、率為41.45%，并對其能帶結構進行分析。光生電流和電化學阻抗譜的測量結果表明，B原子的摻入能夠促進光生電子-空穴對的分離，增強復合結構的光催化活性。（3）制備基于Au等離激元的Au/B-ZnO/PET–GR復合結構，研究其在光催化劑和超級電容器電極中的應用。B原子的適量摻入能夠有效提高復合結構的光催化性能，Au/3%B-ZnO/PET–GR最大降解率達到38.11%，其光催化降解RhB的反應動力學方程為ln(C0/C)=-0.0052t+