锌基纳米结构的合成与性能研究

半导体纳米材料具有优越的光电性能,在发光器件、生物标记及太阳能电池领域中有着广泛的应用前景。由于纳米材料的表面效应,不同的制备条件及形貌可以带来纳米材料性能上的显著差异。随着纳米技术的进步,材料的可控制备以及性能的优化成为了研究者关注的目标。本文重点研究了锌基无毒荧光材料(氧化锌、硫化锌及碱式碳酸锌)的制备、光学性能与光电应用。具有不同形貌及性能的氧化锌纳米材料可以分别通过反相微乳液法、氧化锌量子点的熟化过程及碱式碳酸锌的退火处理获得。采用热混合工艺,通过反相微乳液法制备出粒径均匀、单分散的氧化锌纳米棒及氧化锌四面体结构。光学性能测试表明氧化锌纳米棒具有绿光发射,而四面体结构为蓝光发射。从氧化锌的晶体生长特性、反胶束的模板作用及表面活性剂的影响三方面研究了不同形貌氧化锌形成机理,并对不同的发光机理进行了解释。采用超声冰浴工艺,通过溶胶凝胶法制备粒径均一、单分散的氧化锌纳米晶,以其为原料通过加入不同的表面活性剂控制氧化锌纳米晶的熟化过程,获得了不同形貌的氧化锌结构。表面活性剂对纳米晶不同晶面的吸附作用是影响纳米晶熟化过程的关键。这种熟化处理方式也可以应用于其他体系(例如硫化镉)中。通过液-固-液相法制备具有橙光发射的锰掺杂硫化锌纳米晶。通过油酸的原位修饰作用使纳米晶粒径均一,且具有油溶性。对比实验说明油酸同样有利于提高锰的掺杂含量。通过巯基乙酸的修饰,油溶性的锰掺杂硫化锌可以成功转移到水相,有利于其应用。通过对制备氧化锌纳米线的水热工艺参数进行调节,获得了碱式碳酸锌/氧化锌双层结构,其中碱式碳酸锌具有明显的蓝光发射。分析表明六亚甲基四胺缓慢分解提供的碳酸根及羟基是导致碱式碳酸锌生成的主要因素。碱式碳酸锌经过退火可以转变为多孔的氧化锌,退火后的双层结构在太阳能电池应用中显示出独特的优越性。对碱式碳酸锌的蓝光发射进行了系统的研究、获得了一定的认识,初步结论认为蓝光发射来源于缺陷发光。以碱式碳酸锌为前躯体,分别制备了镁掺杂及铝掺杂的氧化锌片层结构,并对其光电性能进行了测试对比。