暴露{001}晶面ZnO泡沫和[001]取向ZnO薄膜的气体传感与光伏性能及其机制研究

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本文运用溶液快速热分解的办法制出暴露{001}晶面的泡沫ZnO及掺杂Al的泡沫ZnO。通过氢化处理获得氢化的泡沫ZnO。通过溶胶-凝胶旋涂法制出不同[001]取向薄膜ZnO。采用各种检测手段对产物的成分、形貌、晶体结构、比表面积及表面结构等进行分析。测试了暴露{001}晶面泡沫ZnO、氢化的泡沫ZnO、商业的ZnO颗粒及掺杂Al的泡沫ZnO的气体传感性能,研究ZnO晶体结构及{001}晶面表面的结构变化与传感性能的关系,且提出其气敏反应机制。测试了不同[001]取向的ZnO薄膜的光伏性能,研究其[001]取向ZnO的结构与光伏性能的联系,提出其[001]取向薄膜的光生电荷的分离机制。详细探究结果如下:(1)将硝酸锌溶于聚乙烯吡咯烷酮的水溶液中,将其混合溶液在空气中650 ℃下保温10 min快速热分解后获得暴露{001}晶面的泡沫ZnO。将其产物在500 ℃的H2气流中分别保温不同时间段,获得氢化的泡沫ZnO。研究氢化不同时间段的样品的气敏性能差异,结果说明氢化的泡沫ZnO均比未氢化的泡沫ZnO对乙醇、正丁胺及丙酮显示出更好的气敏响应,且随氢化时间的变长,其性能逐步提高。探究了氢化时间与产物{001}表面的吸附氧量间的关系。提出在ZnO{001}面上,具有1个悬挂键的3配位的Zn原子是其产物气敏反应的活性位,并解释了氢化及未氢化产物气敏性能的差异。(2)将不同量的硝酸铝溶于含硝酸锌的PVP(聚乙烯吡咯烷酮)水溶液中,将其混合溶液在650 ℃快速热分解制得不同Al掺杂量的泡沫ZnO。测试了不同Al掺杂量的产物的气敏性能,发现掺Al样品对于甲醇、甲醛及甲苯的气敏性能均比未掺A1的性能好,且当掺入Al的量为3%时,其样品的气敏响应最好。考察掺Al量与泡沫ZnO的比表面积及晶体结构的联系。探究了样品的结晶性、形貌、比表面积及暴露晶面对样品的表面吸附的氧量的影响,提出此气敏反应机制。(3)运用溶胶-凝胶旋涂的办法,通过改变凝胶的形成温度,在FTO玻璃衬底上制出不同[001]取向薄膜ZnO,并对其晶体结构及形貌分析。发现其薄膜是由许多细小的ZnO晶粒密集堆积组成的,薄膜表面十分的致密。测试不同[001]取向的薄膜ZnO的光伏性能,发现随薄膜的[001]取向的增强,其光伏性能越好。采用DFT(密度泛函理论)对其ZnO晶体结构分析,得知{001}晶面为极性晶面,并提出此极性{001}晶面间的电荷分离机制。
摘要第3-5页
Abstract第5-6页
第1章 绪论第9-29页
    1.1 引言第9页
    1.2 ZnO的晶体结构第9-10页
    1.3 ZnO的结构与性能第10-26页
        1.3.1 光催化第10-12页
        1.3.2 锂离子电池第12-15页
        1.3.3 纳米发电机第15-17页
        1.3.4 太阳能电池第17-20页
        1.3.5 气体传感器第20-26页
    1.6 本课题的提出及意义第26页
    1.7 本课题研究路线及研究内容第26-29页
        1.7.1 研究路线第26-27页
        1.7.2 研究内容第27-29页
第2章 氢化增强暴露{001}晶面多孔泡沫ZnO的气体传感性能及其分子水平上的机制研究第29-45页
    2.1 引言第29-30页
    2.2 实验部分第30-32页
        2.2.1 实验试剂和实验仪器第30页
        2.2.2 样品的制备第30-31页
        2.2.3 样品的表征第31页
        2.2.4 气敏器件组装及其传感性能的测试第31-32页
    2.3 结果与讨论第32-44页
        2.3.1 晶体结构和形貌分析第32-35页
        2.3.2 气体传感性能测试第35-38页
        2.3.3 气体传感机理第38-44页
    2.4 结论第44-45页
第3章 A1掺杂暴露{001}晶面的多孔泡沫ZnO的制备及其增强的气体传感性能研究第45-57页
    3.1 引言第45-46页
    3.2 实验部分第46-47页
        3.2.1 实验试剂及仪器第46页
        3.2.2 样品制备第46页
        3.2.3 产物表征第46-47页
        3.2.4 气敏器件的制备及其传感性能的测试第47页
    3.3 结果与讨论第47-56页
        3.3.1 晶体结构和形貌分析第47-51页
        3.3.2 气体传感性能研究第51-53页
        3.3.3 气体传感反应的机理第53-56页
    3.4 结论第56-57页
第4章 [001]取向的薄膜ZnO的制备及其增强的光伏性能研究第57-67页
    4.1 引言第57-58页
    4.2 实验部分第58-60页
        4.2.1 实验试剂和实验仪器第58页
        4.2.2 样品的制备第58-59页
        4.2.3 样品的表征第59-60页
    4.3 结果与讨论第60-66页
        4.3.1 形貌分析及晶体结构第60-62页
        4.3.2 器件的组装及其光电性能第62-66页
    4.4 结论第66-67页
总结第67-69页
参考文献第69-79页
致谢第79-81页
攻读硕士学位期间取得的研究成果第81页
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