电解液浓度及沉积时间对阴极电沉积法制备ZnO薄膜的微结构及性能的影响

摘要

纤锌矿半导体ZnO在近十年吸引了大量的注意，宽禁带(3.37eV)，很大的结合能(60meV)等特点使其在光电、铁电、热电、压电、催化、传感等领域有着突出的表现和很好的应用前景。针对其不同的形状、尺寸、晶体结构、晶体形状和应用，ZnO有着不同的合成方法。其中阴极电沉积法合成ZnO薄膜具有迅速、廉价和可重复性高等特点，在实验室和工业生产中得到广泛应用。本文使用阴极电沉积法在ITO导电玻璃上沉积了ZnO薄膜，并利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、激光显微共聚焦拉曼光谱仪、紫外可见分光光度计（UV-Vis）等测试仪器，研究了电解液浓度、沉积时间对ZnO薄膜的结构、形貌、光学性质、光催化性能和亲水性能的影响。
　　实验结果表明，当沉积电压、时间、水浴温度等条件都确定，只改变电解液(Zn(NO3)2溶液）的浓度时，可以沉积得到微结构、形貌、光学性质、亲水性都各不相同的ZnO薄膜。XRD结果显示，所有浓度下制备所得的ZnO薄膜均为六方纤锌矿结构，且都呈现出了002方向的择优取向生长;随着电解液浓度的增加，ZnO薄膜沿着002方向的择优取向有所增强;经过对每个样品三强峰的计算，发现样品的平均晶粒尺寸随着电解液浓度的增加而略微有所减小。SEM结果显示，所有样品都生长为纳米锥形状，且随着电解液浓度的增加，纳米锥的倾斜度和密度都随之增加，说明样品表面的非极性面也随之增加。光致发光(PL)光谱结果显示，ZnO包含着狭窄的紫外发光峰和较为宽阔的可见光发光峰;随着电解液浓度的增加，ZnO的本征发光峰（紫外发光峰）减小，而缺陷导致的发光峰（可见光发光峰）在增加，说明ZnO薄膜的内的缺陷在增加，而本征激发的光被抑制。拉曼图谱的分析表明，ZnO薄膜在这些条件下呈现439cm-1，569cm-1，和1103cm-1三处特征峰，分别对应于ZnO的E2光声子振动模、E1L光声子振动模和ZnO单晶的E3振动模。亲水性表征可以发现，在紫外光照前，样品均表现为疏水性，薄膜表面液滴接触角为108°-118°，而在经过1h的紫外光照后，样品浸润性均转变为亲水性;不同电解液浓度下制备的ZnO薄膜样品的亲水性略有不同。光学性质分析表明，随着电解液浓度的增加，样品的吸收系数随之减小;经过直线拟合可以得到样品的禁带宽度，发现样品的禁带宽度随着电解液浓度的增加而增加，且逐渐逼近标准值3.37eV。光催化表征表明，所有样品对甲基橙都有明显的光降解作用，经过数据分析发现，不同电解液浓度下制备的ZnO薄膜的光降解的效率，表观反应速度都在变化。
　　当其他条件都相同，仅改变阴极电沉积制备ZnO薄膜的反应时间，制备出的一组ZnO薄膜的微结构、表面形貌和光学性质等也有很大的变化。XRD结果表明，所有的样品都呈现出了六方纤锌矿结构，在沉积时间为10min时，ZnO薄膜并未表现出明显的择优取向生长，而在10min以上的沉积时间里，ZnO都呈现出了明显的002方向的择优取向生长，且随着电沉积时间的增加，这种择优取向生长方式还在加强。通过对XRD的数据分析得到的平均晶粒尺寸可以知道，随着电沉积时间的增加，ZnO薄膜的平均晶粒尺寸在不断的增加。SEM结果表明，随着电沉积时间的增加，ZnO薄膜表面的纳米结构由稀薄变得越来越致密，由10min时较不规则的纳米柱生长渐渐生长为规则的六方纳米锥形貌，且在沉积时间中，新的结核点不断的出现在薄膜表面。通过分析ZnO薄膜的光致发光图谱，可以发现ZnO此时也包含着狭窄的紫外发光峰和宽阔的可见发光区峰，而薄膜的紫外发光峰随着电沉积时间的增加而不断增加。拉曼结果分析表明，ZnO薄膜主要呈现了439 cm-1，569 cm-1，和1103 cm-1三处特征峰，分别对应于ZnO的E2光声子振动模、E1L光声子振动模和ZnO单晶的E3振动模，而沉积10min的ZnO薄膜样品在439 cm-1处的峰位并不明显，可以忽略。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 ZnO薄膜的研究现状

1．3 本文的研究目的和内容

1．4 本章小结

第二章 ZnO薄膜的晶体结构及实验原理

2．1 ZnO晶体结构和基本性质

2．2 实验原理

2．2．1 电沉积原理

2．2．2 电化学沉积实验过程原理

2．2．3 光催化性质表征原理

2．2．4 薄膜亲水性表征原理

2．3 本章小结

第三章 ZnO薄膜的制备及表征方法

3．1 实验部分

3．1．1 试剂与仪器

3．1．2 实验方法

3．2 样品的表征

3．2．1 晶体微结构表征

3．2．2 表面形貌表征

3．2．3 光学性质表征

3．2．4 光催化性能表征

3．2．5 亲水性能表征

3．3 本章小结

第四章 电解液浓度对ZnO薄膜结构、形貌、光学性能等性能的影响

4．1 样品制备

4．2 微结构分析

4．3 表面形貌分析

4．4 光学性质

4．5 光学性质分析

4．6 亲水性分析

4．7 光催化性能分析

4．8 本章小结

第五章 电沉积时间对ZnO薄膜结构、形貌、光学性质等性能的影响

5．1 样品制备

5．2 微结构分析

5．3 表面形貌分析

5．4 光学性质

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 后续工作

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文