论文总字数：23102字

摘 要

ZnO纳米线有着优异的压电、光电、气敏性能，在太阳能电池、压电材料、紫外光探测器、光学开关等领域展现出极大的应用前景。各种形貌的ZnO纳米结构已经被合成出来，然而ZnO纳米阵列的制备技术依旧是个挑战，尤其是稀疏矩阵。

运用溶液法，以ITO导电玻璃为衬底，采用胶体预处理法在衬底上预先沉积一层ZnO种子层，然后制备取向一致的氧化锌纳米线。控制变量进行多组实验，探究了生长温度、生长液浓度以及ZnO种子层的分散性对ZnO纳米线生长的影响。用扫描电子显微镜对氧化锌纳米线进行了表征，结果表明，生长条件如生长温度、生长液浓度，对氧化锌纳米线阵列的形态和排列顺序有着很大的影响。在0.025mol/L生长液中生长出的ZnO 纳米线为形貌规整、直径较均匀、顶部相对平整的六棱柱；生长温度升高，氧化锌纳米棒的直径减小，棒长度变大，生长温度为90℃时，由于沿c轴方向的高沉积速率形成由长棒组成的厚膜；增大旋涂次数可提高氧化锌种子层的厚度和均匀性，有利于制备出更加均匀致密的氧化锌纳米线阵列。

在衬底上运用光刻技术，结合制备氧化锌纳米线的溶液法，探究了制备ZnO纳米阵列稀疏矩阵工艺流程的可行性。最后分析了稀疏矩阵中的纳米线未能直立生长、不够均匀致密的可能的原因是蓝膜太厚、耐热性等级不高，并提出了相应的改进方案。

关键字：氧化锌纳米线，溶液法，种子，光刻，稀疏矩阵

THE FABRICATION OF

ZnO NANOWIRE ARRAYS SPARSE MATRIX

ABSTRACT

ZnO nanowires have excellent piezoelectric, optical, and gas properties and show great prospects in solar cells, piezoelectric materials, UV detectors, optical switches and other areas. ZnO nanostructures with various morphology have been synthesized, but the preparation of ZnO nano-arrays is still a challenge, especially sparse matrix.

Well-aligned ZnO nanowire arrays were grown on indium tin oxide (ITO) glass substrates by aqueous solution. Colloid pre-treating method is used to deposit a layer of ZnO previously. Multiple-unit experiments are made to explore the effect of growth temperature, the concentration of the precursors and the uniformity of the ZnO seed layer on ZnO nanowire growth. The effect of preparing conditions on the deposition of ZnO nanowire is studied by scanning electron microscopy. It is demonstrated that the growth conditions such as growth temperature and the concentration of the precursors have great influence on the morphology and the alignment ordering of ZnO nanowire arrays. ZnO nanowires grown in 0.025 M were hexagonal prism with structured appearance, uniform diameter and relatively flat top. As the growth temperature increases, the diameter of zinc oxide nanowires decreases and length of nanowires increases. And thick films composed of long nanowires are obtained at 90℃ due to the high deposition rate along c-axis direction.The thickness and uniformity of the zinc oxide seed layer are enchanced by increasing the number of spin coating .

Lithographic techniques combined with the solution method for preparing zinc oxide nanowires are applied to exploring the feasibility of sparse matrix of ZnO nanowire arrays. Finally, nanowires in sparse matrix are not perpendicular to the substrate and not uniform and compact enough. The probable reason is that the blue film is too thick and its heat-resistant grade is too low. In addition, the corresponding improvement scheme is given.

Key words：ZnO nanowires, solution methods, seed, lithography, sparse matrix

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 氧化锌纳米线的基本性质与应用 1

1.2.1氧化锌的基本结构和性质 1

1.2.2 氧化锌的能带结构 2

1.2.3 氧化锌纳米线的性能和应用 3

1.3 氧化锌纳米结构的制备方法 4

1.3.1分子束外延法（MBE） 4

1.3.2 化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition) 5

1.3.3 磁控溅射法(Magnetron Sputtering) 5

1.3.4 溶胶-凝胶法(Sol-Gel) 5

1.3.5 电化学沉积法(Electrochemical deposition, ECD) 6

1.3.6 水热法(Hydrothermal synthesis) 6

1.3.7 溶液法(Aqueous solutions) 6

1.4论文的主要工作与安排 7

第二章 溶液法制备氧化锌纳米线阵列 9

2.1 溶液法生长氧化锌纳米线的原理 9

2.2 氧化锌纳米线的制备与表征 9

2.2.1实验仪器与试剂 9

2.2.2实验流程 10

2.2.3 氧化锌纳米线的表征 12

2.3 结果与讨论 12

2.3.1氧化锌纳米线的形貌表征 12

2.3.2生长温度对氧化锌纳米线结构的影响 12

2.3.3生长液浓度对氧化锌纳米线结构的影响 14

第三章 溶液法结合光刻技术制备氧化锌纳米阵列稀疏矩阵 17

3.1实验仪器与试剂 17

3.2氧化锌纳米阵列稀疏矩阵的制备 19

3.2.1 衬底的清洗 20

3.2.2 光刻贴蓝膜 20

3.2.3 乙酸锌溶液的配置 21

3.2.4 氧化锌种子层的制备 21

3.2.5 生长液的配置 21

3.2.6 氧化锌纳米阵列稀疏矩阵的制备 21

3.2.7 氧化锌纳米阵列稀疏矩阵的表征 21

3.3 结果与讨论 23

3.3.1 失败的原因 23

3.3.2 改进方案 23

第四章 总结 24

致 谢 25

参考文献 26

绪论

1.1 引言

近年来，纳米级一维（1D）半导体材料因为它们在基础研究和技术性应用方面的重要性，越来越引起人们的广泛关注。氧化锌(ZnO)是一种重要的直接带隙半导体材料，属于Ⅱ～Ⅵ 族，室温下禁带宽度为 3.37eV，具有高达60meV的激子束缚能。ZnO一维纳米阵列有着单晶结构，而且它的电导传输效率高、透光性好，这些优点使得ZnO一维纳米阵列在太阳能电池、压电材料、场发射、紫外光探测器、光学开关等领域展示出极大的应用潜力，一直被很多学者广泛深入地研究。近年来人们已经成功合成出各种形态的 ZnO 纳米结构。国际知名刊物上也不断报道关于其结构特性的理论研究和实验结果。

然而，氧化锌纳米阵列稀疏矩阵的制备技术依旧是个挑战。本论文采用溶液生长法可控制备ZnO纳米阵列并辅以光刻技术，尝试制备ZnO纳米阵列的稀疏矩阵，并掌握了ZnO纳米线阵列的制备工艺流程，探讨了ZnO纳米阵列稀疏矩阵的制备工艺参数对其生长情况的影响。

1.2 氧化锌纳米线的基本性质与应用

1.2.1氧化锌的基本结构和性质

氧化锌是直接宽带隙半导体材料,具有高激子束缚能，其禁带宽度为3.37eV，晶格常数为a=0.324982nm，c=0.520661nm。如图1.1所示，ZnO晶体有三种结构，分别为四方岩盐矿结构、立方闪锌矿结构和六方纤锌矿结构。根据第一性原理,Jeffee等人[^[1]]计算出ZnO三种晶体结构的总能量分别为：四方岩盐矿结构为5.416eV，立方闪锌矿结构为5.606eV,六方纤锌矿结构为5.658eV。其中六方纤锌矿的结构最稳定，而立方闪锌矿结构只能在立方相衬底上稳定地存在。自然条件下稳定存在的ZnO 都是六方纤锌矿结构的，晶体空间群为P6₃mc。室温（25℃）下，只有在压强达到9GPa时，六方纤锌矿结构才可以为四方岩盐矿结构，氧化锌晶体的体积也会缩小17%。

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