【摘要】：以ZnO、TiO_2、SnO_2為代表的氧化物半導體材料具有良好的化學穩(wěn)定性、生物相容性、電化學活性和電子傳輸特性,在光電子學、電化學、磁學、催化化學等領域有著巨大的應用潛力。核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種通過對核心層材料進行表面修飾和包覆生長而形成的具有特殊性能的復合結(jié)構(gòu)。尤其是一維氧化物核殼納米棒陣列具有許多不同于單一結(jié)構(gòu)的獨特的物理化學性質(zhì),在光催化、光電傳感器和太陽能電池等領域受到研究人員的廣泛關(guān)注。本文以ZnO納米棒陣列為基礎,構(gòu)建氧化鋅/鈦酸鋅和ZnO/SnO_2核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu),通過對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和修飾改性,進一步研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)、摻雜濃度等與核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光催化性能和紫外光探測性能之間的關(guān)系,并對相應的物理機制進行了探索。具體研究內(nèi)容如下:一、以水熱法制備的ZnO納米棒陣列為模板,采用液相沉積法制備氧化鋅/鈦酸鋅核殼納米棒陣列。研究了沉積時間、退火溫度等對氧化鋅/鈦酸鋅核殼納米棒陣列的表面形貌和晶體結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)退火溫度高于600℃時,非晶TiO_2殼層開始轉(zhuǎn)變?yōu)殁佀徜\殼層,并且鈦酸鋅殼層的結(jié)晶相隨著沉積時間而改變;進一步研究了氧化鋅/鈦酸鋅核殼納米棒陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)與紫外光催化性能之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)其具有良好而穩(wěn)定的光催化活性,并對其光催化機制進行了探索。二、使用微波氮等離子體對氧化鋅/鈦酸鋅核殼納米棒陣列進行N摻雜,研究了氮等離子體處理時間與核殼納米棒陣列的晶體結(jié)構(gòu)、N摻雜濃度、光學性能之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著等離子體處理時間的增加,鈦酸鋅殼層逐漸由立方相的Zn_2TiO_4向六方相的ZnTiO_3轉(zhuǎn)變,同時替位摻雜的N原子濃度也隨之增加,光學吸收邊也隨之向可見光區(qū)移動,吸光度也顯著增加;進一步研究了氮等離子體處理時間與氧化鋅/鈦酸鋅核殼納米棒陣列的可見光催化性能之間的關(guān)系,并對可見光催化機制進行了討論。三、基于ZnO/Zn_2TiO_4核殼納米棒陣列,制備了核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)的金屬-半導體-金屬(MSM)型紫外光探測器,并對其紫外光探測性能進行了研究。發(fā)現(xiàn)Zn_2TiO_4殼層可以有效提高紫外光探測靈敏度,并且能有效的改善器件的響應和恢復速度,進一步討論了其中的光探測機制。四、采用液相沉積法制備納米晶SnO_2殼層,構(gòu)建ZnO/SnO_2核殼納米棒陣列,研究了退火溫度對ZnO/SnO_2核殼納米棒陣列的晶體結(jié)構(gòu)的影響。進一步制備基于ZnO/SnO_2核殼納米棒陣列的紫外光探測器,并對其紫外光探測性能進行對比研究。結(jié)果表明,與單一的ZnO納米棒陣列相比,納米晶SnO_2殼層可以有效改善器件靈敏度,增幅達10倍以上,器件的響應和恢復時間也大幅降低;5V偏壓下,核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)紫外光探測器的響應度高達4.653A/W;這主要歸因于納米晶SnO_2殼層對深能級缺陷和表面態(tài)的有效抑制。
【圖文】：

圖 1.1 絕緣體、半導體、導體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖氧化物半導體，是指那些具有半導體特性的氧化物材料。氧化物半導體通常分為 P 型半導體和 N 型半導體，如果一種半導體的導電性主要取決于價帶中的空穴，則半導體的類型被稱為 P 型半導體。相應的，以電子導電為主的半導體稱之為 N 型半導體。大多數(shù)氧化物半導體納米線的德拜長度與相當于它們的半徑，，這使得電子性質(zhì)受到表面處理的強烈影響，這意味著納米線的導電性通過氧化物半導體表面的化學轉(zhuǎn)化，可以精確地從近絕緣到優(yōu)良半導體進行調(diào)節(jié)，這樣的調(diào)控能力使得氧化物半導體材料具有更好的靈敏性和選擇性。這也使得氧化物半導體材料具有優(yōu)異的光學、電磁學、力學和表面物理化學性質(zhì)。氧化物半導體來源廣泛，易于制備，可被廣泛應用于許多領域。例如，被制備成傳感器材料等。1.2 氧化物半導體的制備方法

1.3.1 光催化降解自從 1972 年 Fujishima 和 Honda[15]發(fā)布了在陽極偏壓下，利用二氧化鈦成功光分解水后，人們開始認識到用光催化的辦法解決污染。半導體光催化技術(shù)做為一種簡單、高效、無污染的技術(shù)，可直接利用太陽能，用在處理水污染，光解水制氫，自清潔和殺菌等方面。半導體光催化劑可以利用光激發(fā)半導體產(chǎn)生具有強還原性的電子和強氧化性的空穴，使氧化物半導體能更好的將水體中的大分子有機物降解成無毒無害的小分子，且具有很好的適用性和降解選擇性，特別是能降解掉一些難降解的有機物，達到凈化環(huán)境的目的。與傳統(tǒng)的環(huán)境污染物治理方法相比，光催化技術(shù)具有反應條件溫和、無二次污染、污染物降解比較徹底等優(yōu)點。然而，光催化技術(shù)對太陽光的利用效率仍然很低，因此，如何更好地利用太陽能在開放環(huán)境系統(tǒng)中的污染控制應用也成為光催化技術(shù)研究的難點。
【學位授予單位】：武漢工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O649;TB383.1

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