氧化锌氧化铜一维核壳异质结阵列的制备及机理研究.docVIP

ZnO/CuO一维核壳异质结阵列的制备及机理研究 一、研究内容与意义 1. 研究内容 项目选用低温软化学法，通过敏化衬底，诱导ZnO一维纳米棒在衬底上形成有序阵列；充分利用软化学法可在异型衬底上均匀沉积的特性，在ZnO有序阵列上沉积CuO薄膜，从而构建一维n-ZnO/p-CuO核壳异质结阵列；分析、研究实验参数对核壳结构的微观形貌、组成、尺寸及界面状态的影响规律，分析并探明ZnO一维有序阵列的生长机制；通过研究该独特核壳结构的光电性能，掌握微观结构与宏观性能之间的关系。项目研究成果将为新型纳米材料与纳米结构的器件化和功能化化研究奠定一定理论基础。 2. 研究意义 一维半导体纳米材料是构建光电纳米器件的基本单元，制备新型一维纳米材料与纳米结构的研究已得到各国科学家的高度重视，尤其是一维纳米线/棒，核壳型的纳米线/棒的构建及其光电性能的研究倍受关注[1-5]。氧化铜（CuO）是一种重要的p型半导体材料，带隙Eg=1.83-2.08 eV，一维CuO纳米结构因具有优异的光电性能，在超导、气敏、锂离子电池、光转换器、太阳能、场发射、催化及光伏器件等电子、光电子器件诸多领域有很大潜在应用前景[6-11]。而ZnO是II-VI族n型半导体，Eg=3.3 eV。由于两者电荷势垒的不同，引发了科技工作者将二者配合设计器件的极大兴趣，以大幅提高其灵敏度和效率[12]。开展一维n-ZnO/p-CuO核壳型异质结型有序阵列为如何解决一维核壳纳米线/棒的固定和有序化，以及如何获得良好的核壳型p-n异质结的问题，提供了一条新设计思路，也为材料的器件化提供可能性。因此，开展一维核壳p-n异质结型有序阵列的研究意义重大。 3.国内外研究现状及分析 （1）目前，国内外有关核壳纳米结构的研究主要集中在两个方面： 径向（球形）核壳结构的研究，主要基于光催化性能中减少光生载流子的复合，有效提高其利用率的考虑[13,14]； 开发新的核壳纳米结构，如一维核壳纳米结构。ZnO/CuO核壳结构的相关报道主要集中在制备研究及提高相关光电性能的研究。如采用n-ZnO/p-CuO异质结提高气敏特性、发光强度、催化性能等的研究[15,16]，而对核壳结构的有序化固定及结构-性能关系尚鲜见。 为了解决一维核壳结构的有序化固定问题，开发制备核壳型阵列是研究重点。 目前制备纳米结构阵列的方法有很多，如激光脉冲，溅射法等，其所使用的原料一般为相对昂贵，其缺点是需要复杂的真空系统，所需温度较高，而高温处理不仅可能导致衬底材料变形，也极易使得所制备的材料结晶长大，并造成成分、形貌起伏，不均匀 [17]。 国外在上世纪70年代开始发展化学浴沉积（CBD）金属硫族化合物薄膜的研究，近几年在国内的报道迅速增多。CBD技术将经过表面活化处理的衬底浸在中性或弱碱性的沉积液中，不外加电场或其它能量，在常压、低温（通常低于90 oC）下通过控制反应物的络合、离解和化学反应，从而在衬底上沉积薄膜[18,19]。由于CBD在溶液中进行，不需要复杂的真空设备和使用昂贵的原料，可保证溶液中各组分及各区域的均匀性，适合于在异形或高温不稳定性衬底上大面积样品的大规模制备。从这个角度来说，CBD是最具低温、低耗特性的，最具发展潜力的液相薄膜制备技术。另外，相对于其他液相薄膜技术如电化学沉积法、溶胶－凝胶法等来说，CBD可以使用不导电的玻璃、陶瓷甚至纤维织物等衬底，只要将希望沉积的部分浸入沉积液中，就可以在具有复杂外形的或高温不稳定性的衬底甚至衬底的内表面上沉积。 （2）目前阻碍CBD制备无机功能薄膜应用的几个主要因素包括： 1）关于CBD过程的机理，目前公认的是离子-离子（ion-by-ion）和团簇-团簇（cluster-by-cluster）机制共同起作用。其中离子-离子机制认为金属离子和阴离子直接在衬底表面反应生成薄膜（异质沉积），而团簇-团簇机制认为溶液中生成的沉淀吸附在衬底表面形成薄膜（同质沉积）[18]。但如何有效的控制反应条件，尽量增加异质沉积和减少同质沉积，以生成附着力好、结晶性好、晶粒尺度均匀甚至有一定晶面取向的薄膜，目前并没有十分有效的方法； 2）缺乏在不同温度、pH值等条件下可能生成的产物的溶度积常数等数据，使得有效控制CBD过程还十分困难；3) CBD的沉积效率比较低下，沉积液大部分会以沉淀物消耗，只有5%的物质在衬底上异质沉积生长成薄膜。华中师范大学余颖教授采用将阴、阳离子溶液分离的方法替代配制稳定沉积液的循环CBD法，60 oC 40次循环制备出纳米晶Cu2O薄膜[20]。这是提高CBD沉积效率的非常有效的方法，但是其缺点是操作复杂，一般要几十次甚至上百次循环，才能获得一定厚度的薄膜。 通过对CBD沉积薄膜的工艺过程[21-25]适当的改进和调整，利用敏化衬底的诱导作用可以有效促进薄膜在