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氧化锌(ZnO)是一种具有纤锌矿结构的自激活直接带隙半导体材料,具有独特的电、光、磁、机械、化学性质,在微电子器件和光电器件等领域具有巨大的应用潜力。ZnO材料的性能不仅取决于其组成、结构和尺度,还取决于其维度和形态,因此在材料的生长过程中对其结构、组分、形状、尺度和位置进行控制生长,能实现对其性能进行设计、选择组装,对开发其各种功能有重要的应用价值。本文对ZnO纳米结构薄膜水热法的生长及机理进行了系统的研究。
⑴采用简单的水热合成法,通过调控工艺条件,在玻璃基板和锌基板上制备出棒状的ZnO纳米结构薄膜,在铝板上制备出片状的ZnO纳米结构薄膜。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对各种形态的成分、形貌和结构进行表征。
⑵纳米棒具有笔直规则的形貌,纳米片具有交错的形貌以及光滑的表面。在玻璃板上,当在水热反应前给基板铺上一层ZnO籽晶时,纳米棒阵列会沿着[001]方向择优取向的垂直于基板生长,而不给基板铺晶直接水热反应则会沿着[100]方向择优取向的生长。在锌片上,当在水热反应前煅烧锌片使基板表面形成一层ZnO籽晶时,纳米棒阵列也会沿着[001]方向择优取向的垂直于基板生长。生长在Al板上的ZnO纳米结构薄膜均匀、大面积、附着力强、制作工艺简单,且重复性好。Al基板的影响在ZnO纳米片形成过程中占主导作用:生长在铝基板上的ZnO纳米结构薄膜即ZnO纳米片阵列是由垂直生长在Al基板上的Zn5(OH)8Cl2H2O受热分解得来,反应液中一定量的Al(OH)4-离子的存在导致了Zn5(OH)8Cl2H2O的生成,而形成的Zn5(OH)8Cl2H2O晶体经退火处理后转化为ZnO晶体,从而最终得到了ZnO纳米片阵列。
⑶对生长在Al基板和Zn基板上的ZnO纳米结构薄膜进行了光致发光(photoluminescence,PL)光学性能测试。与Al基板相比,在Zn基板上制备的ZnO纳米结构薄膜具有更好的PL光学性能。