納米ZnO及摻雜La的ZnO-La(OH)3混合膜的陰極電沉積研究.pdf

1、ZnO作為一種重要的寬禁帶(3.37eV)、高激子束縛能(60meV)的Ⅱ-Ⅵ族半導體材料。由于具有良好的光、電、磁等性能，已廣泛應用于發(fā)光元件、太陽能電池、氣敏電極、壓電傳感器和光催化等領(lǐng)域。近年來，稀土離子(例Tb、Er、Eu、Dy、Ce)摻雜的ZnO由于具有獨特的發(fā)光屬性而吸引了眾多學者的研究，但目前絕大多數(shù)研究集中在ZnO的替位摻雜上，對稀土氫氧化物與ZnO共沉積摻雜的研究尚不多見。
　　 本論文采用三電極恒電位電沉積技

2、術(shù)，用熱力學方法研究了ZnO薄膜電沉積過程中溫度對電勢-pH、物質(zhì)分布系數(shù)、ZnO/Zn(OH)2溶解度的影響，并在氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)玻璃電極上制備出具有高c軸擇優(yōu)取向的ZnO納米棒陣列膜和稀土元素La摻雜的ZnO/La(OH)3共沉積膜。
　　 實驗首先通過0.1mol/LZn(NO3)2體系在不同溫度下的電勢-pH、組分的分布系數(shù)和ZnO/Zn(OH)2的溶解度熱力學計算方法得出最佳電沉積實

3、驗條件及最終沉積產(chǎn)物。隨后用沉積過程的循環(huán)伏安曲線、電流密度-時間曲線、薄膜的X射線粉末衍射、掃描電子顯微鏡和熱重-差熱實驗結(jié)果驗證了熱力學理論分析。光學研究發(fā)現(xiàn)，ZnO薄膜在可見光區(qū)具有高透光度(〉80％)和較為陡峭的吸收邊緣。最后結(jié)合實驗提出了硝酸鋅水溶液中電沉積ZnO的反應機理。
　　 采用控制陰極恒電位電沉積技術(shù)，在簡單的Zn(NO3)2溶液中，利用六亞甲基四胺(Hexamethylenetetramine，HMT)作為

4、形貌控制試劑，直接在ITO導電襯底上制備出透明致密的ZnO納米棒陣列膜。采用X射線粉末衍射、掃描電子顯微鏡、能量散射譜、紫外-可見透射譜和光致發(fā)光譜等技術(shù)，對其結(jié)晶特性、表面形貌、組成、光學性質(zhì)等進行了研究。結(jié)果表明在HMT的輔助作用下，所制備的具有c軸高度擇優(yōu)取向的ZnO納米棒為高純單晶纖鋅礦結(jié)構(gòu)，粒徑約為300nm，膜表面平整度明顯提高。紫外-可見透射譜顯示ZnO薄膜在可見光區(qū)具有高透射率(〉80％)和陡峭的吸收邊緣，室溫光致發(fā)光譜

5、中強而尖銳的紫外發(fā)射峰和弱綠光發(fā)射峰說明所制備的ZnO納米棒陣列膜具有良好的結(jié)晶度和優(yōu)良的發(fā)光性能。
　　 采用陰極恒電位電沉積技術(shù)，在含不同濃度La3+離子的0.01MZn(NO3)2、0.1MKNO3溶液中制備出La摻雜的ZnO/La(OH)3共沉積膜。首先，通過La-NO3-H2O體系在25℃和70℃條件下的電勢-pH、組分的分布曲線和ZnO/La(OH)3的溶解度熱力學方法預測了La3+在NO3-離子溶液中的電化學行為。

6、根據(jù)La-NO3-H2O和Zn-NO3-H2O體系的對比得出首先沉積的物質(zhì)是ZnO，隨著溶液中NO3-離子的還原導致電極表面pH升高，而后La(OH)3開始沉積并與ZnO在ITO電極表面形成混合共沉積膜，共沉積膜中La(OH)3組份的熱分解溫度經(jīng)計算大致為662K。上述熱力學分析通過在ITO導電電極上共沉積出ZnO/La(OH)3薄膜和對共沉積膜的熱重-差熱實驗得以證實。實驗發(fā)現(xiàn)隨La3+濃度的增加而快速出現(xiàn)兩相：分散的花狀摻雜La的Z