文档介绍：合肥工业大学
博士学位论文
ZnS、ZnO、TiO2微纳结构设计合成与光致发光、光电转换性能
研究
姓名:张新华
申请学位级别:博士
专业:材料物理与化学
指导教师:陈翌庆
2011-06
摘要
通过设计合成,作者制备了 In 掺杂 ZnO/GeO2 核-壳的纳米结构、金属(合金)衬底上生
长的 ZnO、ZnS、In2O3 微纳结构以及海胆状 TiO2、ZnO 微纳结构并对其形成机理进行了分析。
采用 X-射线衍射分析仪,扫描电子显微镜,透射电子显微镜对所制备材料进行表征,并测试
分析了所制微纳结构的室温光致发光性能。本文还探讨了染料敏化电池(DSCs)的制备工艺,
利用所合成的 TiO2、ZnO 微纳结构制备出“三明治”型 DSCs 器件,并测试分析了所制电池
的光电转换性能。全文研究内容概括如下:
(1)通过简单的热蒸发 ZnO, In2O3, 和 GeO2 混合粉末的方式制备 In 掺杂 ZnO/GeO2 核-
壳的纳米结构。所合成的掺杂 ZnO/GeO2 核-壳的纳米结构内部为具有单晶结构的 In 掺 ZnO
(IZO)内核,外部为非晶的 GeO2 壳层。掺杂 ZnO/GeO2 核-壳的纳米结构自组装成鸟巢状结
构。细节分析揭示,In 掺 ZnO 内核是以 Ge-In 合金液滴为催化剂按 Vapor-Liquid-Solid(VLS)
机制,沿<01-11>方向生长,而整个生长过程中 GeO2 壳层起到了很好的保护作用。对产物的
室温光致发光谱进行分析发现,其位于 510nm( eV)处的有一较强的绿光发射峰,位于
405nm( eV)的紫光发射峰则相对较弱。
(2)以高 Zn 含量的黄铜(Cu-Zn 合金)箔片作为衬底气相合成制备具有“Z”型弯曲的
ZnS 纳米结构。材料的微结构表征和形成过程分析表明,所合成的 ZnS 纳米线是利用合金箔
片表面热分解遗留下的 Cu-Zn 液滴作为催化剂以 VLS 方式的。室温光致发光谱显示,所制备
ZnS 一维纳米结构的发射谱包括了一个中心位于 (482nm)蓝色发光峰,一个中心位于
(430nm)紫色发光峰和一个中心位于 (397nm)新发光峰。
(3)以外延生长的方式合成一维 ZnS 纳米结构-膜-金属衬底的复杂构造。该复杂构造是
由鸟嘴状纳米棒,岛状 ZnS 膜以及锌片组成的。室温光致发光谱显示,所制备 ZnS 微纳结构
的发射谱包括两个特征峰,一个是中心位于 423nm( eV)处,另一个位于 515nm( eV)
处,分别对应着蓝光峰和绿光峰。
(4) 以 Zn 片作为衬底气相合成制备出具有调制结构的 ZnO 分级纳米结构。所制备的分
级结构是由球形催化剂颗粒,短棒以及高密度的纳米线构成的。成分检测表明,催化剂颗粒
为金属锌。由此证明,Zn 可以作为 ZnO 分级结构以 VLS 方式生长的催化剂。室温光致发光
谱显示,所制备的调制的 ZnO 分级结构具有两个发光峰带,一个为比较弱的中心位于 380nm
处的紫外光发射峰,一个为较强的中心位于 500nm 发光峰。
(5)通过直接加热的方式,在 Cu-In 合金片衬底合成出 In2O3 微纳结构。分析显示,In2O3
微纳结构具有遗传特征。实验中,Cu-In 合金片表面受热熔化,再氧化促成了 In2O3 微纳结构
的形成。
(6)通过简易的溶剂热方法,在 FTO 玻璃衬底上生长出海胆状 TiO2 微纳结构。所制备
的海胆状微纳结构是由球形颗粒 TiO2 及其外部阵列生长的 TiO2 纳米针构成。对纳米针进行表
征分析发现,其具有良好的单晶性能,沿<110>方向生长。
(7)以所合成的海胆状 TiO2 微纳结构作为染料敏化太阳能电池的光阳极,制备了“三明
治”型染料敏化太阳能电池。实验测得所制得的电池短路电流密度为 , 开路电压
为 ,电池的填充因子为 %,计算所得电池总的光电转换效率为 %。实验还制备
了以 TiO2 纳米针/P25 复合薄膜作为光阳极的 DSCs 器件,以对比分析 TiO2 纳米针的作用。
(8)通过简单的热处理方法,直接在 FTO 导电玻璃上制备出海胆状 ZnO 微纳结构。然
后,对所得海胆状纳米结构进行水热处理,使所制得的球形表面的一维纳米结构形貌发生演
化。所合成的微纳结构由微球及其表面阵列分布的准一维纳米结构构成。室温光致发光测试
表明:熟化前,样品的室温光致发光谱包括了一个中心位于 381nm 处的弱的紫外发光峰和一
个中心位于 510nm 的强的黄绿光