基于柔性衬底水热生长zno纳米结构及其性能研究

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1、分类号７２：１０７２０：Ｏ４单位代码密级：公开学号：１５０８０５０３０７ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｙｏ硕士学位论文基于柔性衬底水热生长ＺｎＯ纳米结构及其性能研究ＨｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｇｒｏｗｔｈａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＺｎＯｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｂａｓｅｄｏｎｆｌｅｘｉｂｌｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ论文作者：王维指导教师、职称：艾桃桃教授：材料加工工程学科、专业名称研究方向：半导体纳米材料与光电器件

2、二〇一八年六月分类号：O472单位代码：10720密级：公开学号：1508050307硕士学位论文基于柔性衬底水热生长ZnO纳米结构及其性能研究HydrothermalgrowthandpropertiesofZnOnanostructuresbasedonflexiblesubstrates论文作者：王维指导教师、职称：艾桃桃教授学科、专业名称：材料加工工程研究方向：半导体纳米材料与光电器件二○一八年六月摘要基于无机半导体纳米材料的柔性光电子器件，以其独特的延展性、高品质性和形状可变性，在电子

3、皮肤、可延展的无机发光二极管、柔性显示器、柔性太阳能电池以及可穿戴电子传感器等领域具有广泛的应用前景，已然成为新一代半导体光电器件的重点研究方向，能够极大地满足社会信息智能化发展和现代生活对高品质光电子产品的需求。ZnO半导体纳米材料拥有较宽带隙、较高激子束缚能、低电阻率、在可见光区光学透过率高、紫外光下产生大量电子-空穴对等一系列的优异物理化学性能，被认为是最有希望替代氧化铟锡（In2O3:Sn，ITO）的一种透明导电氧化物，在光电子器件领域表现出巨大的应用潜力，如纳米发电机、紫外光探测器和激光器等。

4、然而，本征ZnO晶体内部可以自由移动的载流子较少，导电性能较差，不能满足高品质ZnO基光电子器件的要求，严重制约了其发展。通常，将容易实现的n型掺杂元素（B，Al，Ge，Si，F等）引入ZnO晶格中来形成杂质半导体，进一步提高ZnO纳米结构的电子-光学性能。柔性电子器件与传统光电子器件最本质的区别在于利用柔性生长基底取代刚性基底。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）虽然在可见光范围内拥有较高的透过率和较大的耐热度，但是直接在单一的PET衬底上制备ZnO纳米结构容易引发晶格失配与热失配等问题，不利于ZnO晶体的

5、生长。ITO或石墨烯（GR）涂覆的PET双层膜（PET–ITO或PET–GR）不仅可以有效地减缓上述问题，还可以发挥缓冲层的作用，增强ZnO纳米结构与衬底的结合，促进界面处电子的传输，为电荷传递提供“快速通道”，是良好的柔性衬底材料。本文先后以PET–ITO和PET–GR作为生长基底，采用离子溅射技术辅助的水热法在柔性衬底上制备多形貌的ZnO纳米结构，系统地分析了工艺-结构-性能之间的关系，探索不同形貌纳米ZnO结构的生长机制，讨论Al-ZnO/PET–GR、B-ZnO/PET–ITO和Au/B-ZnO

6、/PET–GR等多级复合结构的光电、电化学和光催化性能，主要的研究内容如下：（1）在PET–GR衬底上制备Al原子掺杂浓度分别为0%，3%，6%，9%，12%和15%的Al-ZnO/PET–GR复合结构。研究结果表明，Al原子是以氧化态的形式存在于ZnO晶格中，随Al掺杂量的不断增加，ZnO纳米棒的直径不断增大，Al-ZnO/PET–GR的光致发光光谱出现明显的红移现象。Al-ZnO薄膜的最大迁移率高达154.109cm2V-1s-1，电I阻率最低为0.656Ω·cm。适量Al原子的掺入能够有效提高复合

7、结构的电化学性能，9%Al-ZnO/PET–GR异质结的光生电流密度和电极内阻分别达到0.7μA/cm2和7Ω。（2）利用水热法在PET–ITO衬底上制备出B掺杂ZnO片层球。与纯ZnO相比，B掺杂后ZnO的晶格常数增大，ZnO的形貌从纳米棒演变成片层球。所制备的B-ZnO/PET–ITO异质结具有明显的整流特性，二极管的正向开启电压为0.4V。利用非线性拟合的方法，探讨了在0~2V的正向电压作用下，复合结构的电流输运机制。以B-ZnO/PET–ITO为光催化剂进行光催化降解实验，得到复合结构的最大降解

8、率为41.45%，并对其能带结构进行分析。光生电流和电化学阻抗谱的测量结果表明，B原子的掺入能够促进光生电子-空穴对的分离，增强复合结构的光催化活性。（3）制备基于Au等离激元的Au/B-ZnO/PET–GR复合结构，研究其在光催化剂和超级电容器电极中的应用。B原子的适量掺入能够有效提高复合结构的光催化性能，Au/3%B-ZnO/PET–GR最大降解率达到38.11%，其光催化降解RhB的反应动力学方程为ln(C0/C)=-0.0052t+