氧化锌纳米棒水热法制备及其场发射特性研究

毕 业 论 文

题 目： 氧化锌纳米棒水热法制备

及其场发射特性研究 学 院： 物理与电子工程学院 专 业： 物理学 毕业年限： 2015 学生姓名： 马磊 学 号： 20117210419 指导教师： 王成伟 教授

目 录

氧化锌纳米棒水热法制备及其场发射特性研究 ............................... 3 摘 要 ................................................................ 3 关键词 ................................................................ 3 Abstract .............................................................. 3 Keywords .............................................................. 3 1 引言 ................................................................ 4 2 制取氧化锌纳米棒 .................................................... 4 3 氧化锌纳米棒生成 .................................................... 5 3.1 氧化锌纳米棒基本形态 ............................................ 5 3.2 结晶度和生长方向 ................................................ 6 4 氧化锌纳米棒生长机制 ................................................ 7 5 场发射特性 .......................................................... 9 6 总结 ............................................................... 10 参考文献 ............................................................. 11 致 谢 ................................................................12

氧化锌纳米棒水热法制备及其场发射特性研究

学生姓名：马磊 指导老师：王成伟 教授

（ 班级：2011级（4）班 学号：201172010419）

摘 要：通过一个简单的水热法，在锌基底上生长不同形貌的氧化锌纳米棒阵列，该方法简便且廉价。我们仔细研究和比较了水热法的关键影响因素，包括溶液浓度和反应时间，发现控制反应时间可以生成不同形貌的氧化锌纳米晶体。此外,生成的氧化锌纳米棒是单晶的纤锌矿结构，并用一个合理的机制来解释了生成不同形貌的氧化锌纳米结构。本文还介绍了一维氧化锌纳米材料的常用制备技术及其场发射领域的研究进展,比较不同结构的一维氧化锌纳米材料的场发射性能,进而总结影响其场发射性能的因素。

关键词： 氧化锌 半导体 电子显微镜 生长机制

Morphology control and transition of ZnO nanorod arrays bya simple hydrothermal method

Abstract: ZnO nanorod arrays with different morphologies have been synthesized on the zinc foil via a simple hydrothermal method which is both aconvenient and inexpensive process. The key influencing factors including the solution concentration and the reaction time are all studied and compared carefully. Based on our investigation, it is found that the morphologies of ZnO crystals could be controlled and the transition of different morphologies is also realized successfully with the growing reaction time.Further- more, the as-grown ZnO nanorods are single crystalline with awurtzite structure. Finally, a reasonable mechanism to explain the different crystal morphologies is also discussed in detail. Keywords: ZnO Semiconductors Electron microscopy Growth mechanism

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1.引言

氧化锌是一种新型的直接宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度达到3.37 eV，激子束缚结合能高达60 meV，具有潜在的、优异的紫外光、蓝绿光发射能力。目前，氧化锌在紫外探测器、紫外半导体激光器、透明导电薄膜、氧化锌异质结、场发射、液晶显示和稀磁半导体等方面具有广泛的应用前景，使得氧化锌成为继氮化镓、碳化硅之后光电子技术中的又一热点研究领域。特别别是低维氧化锌纳米材料，不但具有大的比表面积，而且具有明显的小尺寸效应和量子尺寸效应。因此，低维氧化锌纳米材料除了具有体材料的优异特性外，还具有独特的电学、光学和化学属性。目前，氧化锌纳米结构材料的研究已取得了很大的进展，各国科研小组已经成功合成了不同结构的氧化锌纳米材料，如低维氧化锌纳米棒、纳米线和纳米带以及部分特殊结构的纳米材料，如氧化锌纳米梳，纳米结构圆盘以及纳米弹簧材料，以上的氧化锌纳米结构材料目前在催化、气敏传感器、光电存储器件、光电转换器件、纳光电系统、场效应晶体管、激光器和透明导电薄膜等材料方面表现出了潜在的应用前景。实验上，氧化锌纳米材料的制备主要采用传统的自下而上的实验方法，如模板限制辅助生长法、金属有机物气相外延法、分子束外延法、激光沉积法、溅射法和水热法等。一般而言，气相法对设备条件要求较高，不利于器件的集成化。液相法( 如水热法) 具有生长温度低、易于控制、成本低等优点。尤其是制备的样品的表面能低、无团聚或少团聚以及粒子纯度高、晶形均匀、易于控制等特点。目前，利用水热法制备氧化锌纳米结构材料已被实验上广泛采用。在本文中,我们制造的氧化锌纳米棒阵列通过水热路线和与不同的形态实现氧化锌晶体形态的转型与增长反应时间的测量，然后探讨氧化锌的成长过程晶体。最后,合成的可能的生长机制水晶也提出和讨论。

2. 制取氧化锌纳米棒

这里讨论的氧化锌纳米棒阵列合成通过在两种不同比较溶液(80毫升)中用简单的液相法来合成。第一个解决方案包含1.5克氨（25.0%)和5g Zn(NO3)2·6H2O (99.0%)。第二个方案包含1.5 g氨和3g Zn(NO3)2·6H2O。反应转移到两个聚四氟乙烯高压反应釜容器(100毫升)中，然后两个2×3平方厘米的锌基底(0.25毫米厚,用去离子的水冲洗几次后使用)分别放入上述两种水溶液，之后保持恒温80°C加热12 h。最后，将反应完的锌基底A、B从溶液中取出，分别用去离子水反复冲洗过,之后放入60°C的烘箱中自然烘干，得到氧化锌样品以备研究。用扫描电子显微镜(SEM)观察样品形貌，X射线衍

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