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半导体纳米材料因在光电器件、太阳能电池、微纳发电、传感器、显示等领域具有广阔的应用前景,倍受科学家们的广泛关注。研究表明,半导体纳米材料的性能与其形貌、结构、成分等因素息息相关,因此,半导体纳米材料的可控制备一直是纳米领域的研究重点。
在本论文中,我们采用简单的热蒸发方法,成功地制备出了一系列ZnO基半导体纳米材料,并利用扫描电镜和透射电镜等表征手段系统分析了这些材料的形貌、结构和成分,提出了相应的生长机理,初步探究了这些纳米材料的光电性能。具体工作内容包括:
1、成功制备出了一种图钉状ZnO纳米材料。结构分析可知,图钉状ZnO是六方纤锌矿结构,底部纳米棒沿着六方[0001]方向生长,六边形的“帽子”则优先沿<2-1-10>方向生长。这种图钉状ZnO的生长机制可以用自催化的VLS机制以及VS机制得到合理解释。
2、首次实现了单晶外延生长的ZnO/ZnS核壳纳米棒阵列的可控制备。结构分析表明,ZnS外壳是单晶六方纤锌矿结构,且与ZnO核有明显的外延取向关系,即(01-10)ZnO//(01-10)ZnS,[0001]ZnO//[0001]ZnS。利用醋酸除去ZnO核,我们还首次制备出了单晶ZnS纳米管阵列。通过对实验条件以及数据结果的分析,我们提出了一种在ZnO纳米棒上外延生长单晶ZnS的生长机制。此外,我们对这种核壳结构的光学性质进行了详细的讨论。
3、首次制备出了一种单晶外延生长的ZnO/ZnS核壳异质结纳米带。ZnS外壳对称地生长在ZnO±(0001)极性面两侧,表现出与极性无关的对等生长。ZnS外壳是单晶,与带状ZnO核的外延取向关系为:(0001)ZnO//(0001)ZnS;[2-1-10]ZnO//[2-1-10]ZnS。实验结果表明,在一定条件下,负极性面可以表现出与正极性面相同的化学活性,同样可以实现纳米材料的形核和生长。
4、实现了ZnO/SnO2核壳纳米材料的可控制备。分析表明,SnO2颗粒为金红石结构,直径约为20nm,并且均匀、紧密的包覆在ZnO纳米棒上。融掉ZnO核,还可得到多晶SnO2纳米管。此外,我们对材料的的光学性质、光催化性质以及稳定性进行了系统的研究。