ZnO纳米线的制备及其发光性能的研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：

随着信息技术的飞速发展，以微电子和光电子为基础的通信和科学技术成为世界最新技术的核心，而纳米技术更进一步地促进了科学技术的发展，纳米材料全称为纳米级结构材料，它的几何尺寸在1～100纳米之间，同时具有区别常规材料的一些特殊物理化学特性，诸如小尺寸效应、量子限域效应、量子隧道效应和库伦阻塞效应等。

纳米材料的应用领域非常大，在催化方面用于催化剂可以提高反应速率，控制反应速度，减少消耗，在生物医学上可以用于分离细胞，在化工方面可以用于制备高强度力学特性的纳米材料，在国防科技方面可以应用于对化学、生物、核武器的纳米探测系统。 对zno纳米薄膜、纳米晶粒的广泛关注，来自于1996年的第一篇关于zno微晶结构薄膜在室温下光泵浦紫外受激发射的报道；随后，在2001年，wang小组报道了zno半导体超长纳米带的合成；其后，其他形貌的一维zno纳米结构以及更加新颖复杂的组装体系被成功的合成，科学家们对这种新型纳米材料研究逐渐深入。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容：

本课题主要围绕zno纳米线的制备工艺以及其发光性能的研究展开，因此主要包含两部分：

第一部分是zno的基本性质和制备工艺的研究，主要运用了水热生长法生长zno纳米线，并研究此过程中影响zno纳米线生长的各个因素，主要包括生长溶液浓度、生长温度、生长时间等条件。最后通过改变生长过程中的各个参数，实现不同尺寸的zno纳米线阵列的可控性生长。并对生成的zno纳米线形貌通过扫描电子显微镜分析(sem)作表征。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

ZnO纳米线的制备方法主要分为气相法、固相法和液相法，在这里我们主要采用的是液相法。对于水热生长法结成ZnO纳米线主要有两种方法，一种是以Al₂O₃或GaN为衬底的异质外延生长法，另一种是在单晶硅或ITO衬底上制备一层ZnO薄膜作为籽晶层的同质外延生长法。在这中，我采用的是水热法中的籽晶泡生生长，将营养液溶解在水热介质中，它进入溶液中，其形态变为离子或分子团，利用强烈的对流效应，这些离子、分子或离子团将被运输到生长区，在此区域中一般放有籽晶，形成过饱和溶液。

步骤：

大致流程是在Si晶片上先准备ZnO籽晶作为后期ZnO纳米线生长的诱导。

第一部分是在Si基片表面沉积ZnO籽晶层。将Si片切割成形，分别浸入去离子水、丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗，清洗完毕后用氮气枪吹干，沉积籽晶层时主要采用的是磁控溅射法，在Si基片上沉积一层厚度为50nm的ZnO薄膜，作为ZnO纳米线阵列的种子层。

磁控溅射法(高速低温溅射)：在结构上必须组成环形磁场，采用射频磁控溅射仪，通过在真空环境下溅射由锌或其他的化合物组成的靶材，最终在固定于基片架的基底上，生长出一维的纳米结构，材料生长受靶材间距、气压、气体比率以及温度等影响。此方法的优点在于利于制备纳米薄膜材料。

主要使用QX-500磁控溅射多靶镀膜机，根据制备籽晶的要求，选用射频磁控溅射方式Si晶片上沉积ZnO籽晶层，射频频率为13.56MHz，便于形成籽晶层。

磁控溅射步骤如下：

1.当真空度到达所要求数值(6.0×10^-4Pa)时，打开流量计电源预热，然后打开氩气气路

“充气”按钮调节流量计到设定值50sccm，稳定后，打开RF溅射电源进行靶面清洗溅射。

2.打开氩气气路“充气”按钮调节流量计到设定值30sccm，稳定后，再次打开RF溅射电源进行预溅射。

第二部分是利用水热生长法在基片表面制备出ZnO纳米线结构。

主要步骤如下：

1.分别称量1.4874g的硝酸锌（Zn(NO₃)₂6H₂O）和0.7010g的六次甲基四胺(C₆H₁₂N₄)两种试剂，加入去离子水配备成100ml的混合溶液。

2.将该溶液装入一个干净的玻璃瓶中，然后将先前制备好的Si基片放入溶液中，使基底完全浸入溶液。

3.将玻璃瓶放入85^。C恒温箱中，生长1~5个小时。

4.用去离子水去除表面吸附杂质，烘干其表面水分。

第三部分是通过SEM观测生成的ZnO纳米线的形貌，以及通过荧光光谱(PL)、吸收谱和透射谱对ZnO纳米线的光学特性进行研究。

采用纳秒脉冲激光器作为激发光源，通过显微镜将激光光斑聚焦在ZnO纳米线样品，产生光致发光现象，利用荧光光谱仪收集上ZnO纳米线发射出来的光谱。

4. 参考文献

[1] 邓维维, 曾子彦, 洪昕林, 不同形貌zno纳米材料的制备与表征, 化工新型材料, 2016, 44（3）.

[2] ozgur u, alivov y i, liu c, et al. acomprehensive review of zno materials and devices[j]. j. appl. phys. 2005, 98: 041301.

[3]蔡鹏. zno 纳米结构的可控制备及性能研究[j]. 硕士. 保存地点: 武汉工程大学, 2013.

5. 计划与进度安排

（1）2022.2.25-2022.3.15 文献调研，图书馆查阅资料，完成开题报告，完成外文资料的翻译；

（2）2022.3.16-2022.4.15实验系统研究水热法生长zno纳米线的影响因素及其发光特性；

（3）2022.4.16-2022.4.30 总结并整理实验数据，进行优化实验；