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ZnO材料的形态控制生长及机理研究

作　者: 周龙强
导　师: 戴英
学　校: 武汉理工大学
专　业: 光电子及信息材料
关键词: ZnO 形态控制水热法气固法生长机理
分类号: TN304
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

氧化锌（ZnO）是一种具有纤锌矿结构的自激活直接带隙半导体材料,具有独特的电、光、磁、机械、化学性质,在微电子器件和光电器件等领域具有巨大的应用潜力。ZnO材料的性能不仅取决于其组成、结构和尺度,还取决于其维度和形态,因此在材料的生长过程中对其结构、组分、形状、尺度和位置进行控制生长,能实现对其性能进行设计不是、选择组装,对开发其各种功能有重要的应用价值。本文对ZnO材料的形态控制生长及机理进行了系统研究。分别采用水热合成法和高温气固法,通过调控工艺条件,实现了ZnO形态的控制生长,水热法中控制反应物浓度、温度、升温速率、反应时间等工艺参数,制备出六方棒、尖头棒和阵列、六方管、片状棒阵列和片状管阵列等形态。气固法中控制原料种类、温度、气体压力、基板等工艺参数,制备出树枝状、网格状、阵列、梳状等形态。用X射线衍射、扫描电镜、投射电镜对各种形态的成分、形貌和结构进行表征。六方棒和管具有笔直规则的构形和平整光滑的表面,片状棒和片状管阵列垂直生长在基板上,相互交错生长的ZnO纳米片排列在棒或管的侧面。对水溶液体系的化学反应过程进行了分析,溶液反应温度在沸点以下时,ZnO趋于形成理论结晶形态,生长成六方棒;在沸点以上体系趋于达到热力学稳定态,ZnO棒的极性面被溶解刻蚀形成管状。反应物的浓度决定ZnO结晶形态的尺度大小。快速升温时,反应初期在基板上生长的ZnO薄膜对于ZnO棒垂直于基板生长有重要的影响,ZnO纳米片围绕棒的侧面二次成核生长形成片状棒阵列,极性面被刻蚀溶解形成片状管。树枝状是六方柱形主干的六个侧面以一定角度生长一排分支。网格状是ZnO带在空间相交成60°角交错生长成整齐的网格,梳状是ZnO长带状的一侧边整齐垂直地生长一排分支。气固反应体系中,晶体生长机制是VS机理。形态控制生长的关键是控制Zn（g）和O₂（g）分压。升高反应温度生成Zn（g）的分压增大,树枝状和网格状形态是较高Zn（g）分压下形成,梳状形态是较低的Zn（g）分压下形成,改变原料用量比例,Zn（g）和O₂（g）的分压大小变化,直接影响晶体的结晶的形态,如梳状形态的分支有棒状、针状、齿状。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章引言  9-21
  1.1 一维纳米材料的研究进展  10-12
    1.1.1 一维纳米材料  10
    1.1.2 有序组装结构  10-12
  1.2 一维纳米材料的控制生长  12-14
    1.2.1 激光烧蚀法  12-13
    1.2.2 蒸发冷凝法  13
    1.2.3 化学气相沉积法  13
    1.2.4 气相外延法  13
    1.2.5 溶液反应法  13-14
    1.2.6 模板法  14
  1.3 ZnO材料  14-20
    1.3.1 概述  14-15
    1.3.2 一维 ZnO结构  15-18
    1.3.3 ZnO异质结  18
    1.3.4 掺杂 ZnO结构  18-19
    1.3.5 ZnO特殊形态  19
    1.3.6 ZnO仿生形态  19-20
  1.4 本论文的研究内容  20-21
第2章晶体形态控制生长的研究  21-31
  2.1 ZnO晶体的生长习性  21-23
    2.1.1 ZnO的结构  21-22
    2.1.2 ZnO晶体的生长形态  22-23
  2.2 液相中晶体的形态控制生长  23-27
    2.2.1 水热合成法  24-25
    2.2.2 晶体的生长机理  25-26
    2.2.3 晶体生长的影响条件  26-27
  2.3 气相中晶体的形态控制生长  27-31
    2.3.1 晶体的生长机理  27-28
    2.3.2 气相过饱和度对晶体形态的影响  28-29
    2.3.3 晶体生长的影响条件  29-31
第3章 ZnO形态的水热法控制生长与机理研究  31-47
  3.1 实验过程  31-33
    3.1.1 ZnO形态控制生长过程  31-32
    3.1.2 结构表征  32-33
  3.2 ZnO形态的显微结构  33-40
    3.2.1 ZnO棒  33-37
    3.2.2 ZnO六方管  37
    3.2.3 ZnO片状阵列  37-40
  3.3 液相中ZnO形态的生长机理  40-47
    3.3.1 液相中ZnO晶体的生长模式  40-41
    3.3.2 反应条件对 ZnO形态生长的影响  41-44
    3.3.3 各种 ZnO形态的生长过程  44-47
第4章 ZnO形态的气固法控制生长与机理研究  47-60
  4.1 实验过程  47-48
    4.1.1 ZnO形态控制生长过程  47-48
    4.1.2 结构表征  48
  4.2 ZnO形态的显微结构  48-54
    4.2.1 树枝状 ZnO  48-51
    4.2.2 网格状 ZnO  51-52
    4.2.3 ZnO阵列  52
    4.2.4 梳状 ZnO  52-54
  4.3 气相中 ZnO形态的生长机理  54-60
    4.3.1 气相中 ZnO晶体的生长模式  54-56
    4.3.2 反应条件对 ZnO形态生长的影响  56-57
    4.3.3 各种 ZnO形态的生长过程  57-60
第5章结论  60-62
参考文献  62-67
致谢  67-68
硕士期间己发表的论文  68

ZnO材料的形态控制生长及机理研究

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