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电纺氧化锌纳米纤维的制备及其光电流性能研究

作　者: 侯闻婷
导　师: 封伟
学　校: 天津大学
专　业: 材料学
关键词: 氧化锌铝掺杂静电纺丝聚 3-十二烷基噻吩光电流响应
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

氧化锌(ZnO)因具有宽禁带(3.37 eV)和高激子结合能(60 MeV)等特点,而成为重要的多功能半导体材料。纳米ZnO由于尺寸小,比表面积大,具有一系列优异的电学、光学、磁学和化学性能,同时通过选择性掺杂ZnO能够有效调节其光电性能,使其在电学、光学、生物、医药等领域具有广阔的发展前景。本文采用静电纺丝法制备了ZnO及铝(Al)掺杂ZnO(AZO)纳米纤维膜,研究了Al掺杂对ZnO微观结构及光电性能的影响。在此基础上,通过在聚 3-十二烷基噻吩(PAT12)的氯仿溶液中浸泡吸附的方法,制备了纳米ZnO/PAT12复合薄膜材料,研究了PAT12的加入对ZnO纳米纤维膜光学、电学性能的影响。首先研究了该体系的最佳静电纺丝工艺,制备的ZnO纳米纤维的平均直径约为169nm。结果显示,Al掺杂量的提高会引起ZnO纳米纤维变细、晶粒尺寸减小、紫外区吸收峰蓝移以及荧光光谱增强,之后对这些现象进行了探讨分析。此外,紫外可见吸收光谱结果表明随Al掺杂量的提高,ZnO禁带宽度增大,证明能够通过制备方法中Al掺杂调控ZnO纳米纤维的微观形貌及物理性能。研究发现,电纺制备的ZnO纳米纤维膜在白光照射下具有光电流响应。随Al掺杂量(0 at%-3 at%)的提高,ZnO纳米纤维的导电性呈现先增大后减小的趋势,在白光照射下的光电流响应也出现先增强后减弱现象,当Al掺杂量为1 at%时,光电流强度最高,衰减现象最弱,与未掺的ZnO纳米纤维相比,光电流强度提高了近100 %,光电流约为暗电流的30倍,有望应用于光电转换领域。PAT12与ZnO纳米纤维复合可以有效拓宽薄膜光谱吸收范围,且PAT12的加入能够显著提高ZnO纳米纤维膜的光电流响应性能,光电流强度提高了约80 %,因此基于ZnO电纺纳米纤维的ZnO/PAT12薄膜材料在光电转换领域也具有潜在的应用价值。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-25
  1.1 引言  8
  1.2 纳米材料  8-10
    1.2.1 纳米材料特性  9-10
    1.2.2 纳米纤维  10
    1.2.3 纳米纤维的制备方法  10
  1.3 静电纺丝法  10-16
    1.3.1 电纺基本原理  11
    1.3.2 电纺装置  11-12
    1.3.3 电纺的影响因素  12
    1.3.4 电纺纤维的研究现状  12-13
    1.3.5 电纺纤维的应用及发展趋势  13-14
    1.3.6 聚乙烯醇的静电纺丝  14-16
  1.4 纳米氧化锌  16-22
    1.4.1 氧化锌的基本性质  17-18
    1.4.2 纳米氧化锌的性质  18
    1.4.3 纳米氧化锌的制备  18-19
    1.4.4 氧化锌的掺杂  19-21
    1.4.5 氧化锌的特性及应用  21-22
  1.5 导电聚噻吩  22-23
    1.5.1 导电聚合物的性质及应用  22
    1.5.2 聚噻吩及其衍生物  22-23
  1.6 课题的提出  23-25
第二章氧化锌及Al掺杂氧化锌纳米纤维的电纺法制备与表征  25-46
  2.1 引言  25
  2.2 实验原料及仪器  25-26
    2.2.1 实验原料  25-26
    2.2.2 实验仪器  26
  2.3 实验方法  26-27
    2.3.1 纺丝液的配置  26-27
    2.3.2 静电纺丝制备前驱体纤维膜  27
    2.3.3 高温烧结制备ZnO纳米纤维膜  27
  2.4 具体实验方案  27-29
    2.4.1 聚乙烯醇浓度对纤维微观形貌的影响  27-28
    2.4.2 醋酸锌浓度对纤维微观形貌的影响  28
    2.4.3 Al掺杂对PVA/Zn(CH_3COO)_2·2H_20)纺丝溶液电导率的影响  28
    2.4.4 Al掺杂对纤维微观形貌及ZnO宏观光学性能的影响  28
    2.4.5 烧结温度对最终制备的ZnO纳米纤维微观形貌及性能的影响  28-29
  2.5 表征测试  29-30
    2.5.1 扫描电子显微镜测试及能谱测试  29
    2.5.2 透射电子显微镜测试  29
    2.5.3 X射线粉末衍射仪测试  29
    2.5.4 傅立叶转换红外吸收光谱测试  29
    2.5.5 紫外-可见光吸收光谱测试  29-30
    2.5.6 光致发光光谱测试  30
  2.6 结果与讨论  30-45
    2.6.1 扫描电子显微镜及能谱分析  30-36
    2.6.2 透射电子显微镜分析  36-38
    2.6.3 X射线衍射分析  38-40
    2.6.4 傅立叶转换红外吸收光谱分析  40-42
    2.6.5 紫外-可见光吸收光谱分析  42-44
    2.6.6 光致发光光谱分析  44-45
  2.7 本章小结  45-46
第三章氧化锌纤维膜及其聚噻吩复合薄膜材料的光电性能研究  46-67
  3.1 引言  46
  3.2 实验原料及仪器  46-48
    3.2.1 实验原料  46-47
    3.2.2 实验仪器  47-48
  3.3 实验方法  48
    3.3.1 纳米纤维样品的制备  48
    3.3.2 ZnO/PAT12 复合薄膜材料的制备  48
  3.4 具体实验方案  48-50
    3.4.1 与PAT12 复合后的ZnO/PAT12 复合薄膜材料的微观形貌变化  48-49
    3.4.2 PAT12 浓度对ZnO/PAT12 复合薄膜材料光学性能的影响  49
    3.4.3 Al掺杂量不同对ZnO纳米纤维电导率的影响  49
    3.4.4 Al掺杂量不同对ZnO纳米纤维膜光电流性能的影响  49
    3.4.5 ZnO不同膜厚对其光电流性能的影响  49-50
    3.4.6 与PAT12 复合后ZnO/PAT12 复合薄膜材料光电流性能的变化  50
  3.5 表征测试  50-51
    3.5.1 扫描电子显微镜及能谱测试  50
    3.5.2 傅立叶转换红外吸收光谱测试  50
    3.5.3 紫外-可见光吸收光谱测试  50
    3.5.4 ZnO纳米纤维膜电导率测试  50-51
    3.5.5 循环伏安及光电流测试  51
  3.6 结果与讨论  51-65
    3.6.1 扫描电子显微镜及能谱分析  51-56
    3.6.2 傅立叶转换红外吸收光谱分析  56-57
    3.6.3 紫外-可见光吸收光谱分析  57-59
    3.6.4 Al掺杂对ZnO纳米纤维电导率影响分析  59-60
    3.6.5 循环伏安测试  60-61
    3.6.6 光电流性能分析  61-65
  3.7 本章小结  65-67
第四章全文结论  67-68
参考文献  68-75
发表论文及参加科研情况  75-76
致谢  76

电纺氧化锌纳米纤维的制备及其光电流性能研究

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