碳纖維紙上ZnO納米陣列的制備及其光電性質(zhì)的研究

發(fā)布時間：2020-03-25 04:53

【摘要】：ZnO是由Zn元素和O元素組成的半導(dǎo)體材料。ZnO因其在光學(xué)和電學(xué)等方面性能優(yōu)異,已被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域:光催化降解污水,光電探測器,LED發(fā)光,激光二極管等。但其生長所用襯底、形貌的可控制備、缺陷態(tài)的研究等還不夠充分,此外,雖然本征ZnO在光電方面有著較高的量子轉(zhuǎn)換率,但其禁帶寬度限制了對占太陽能43%的可見光的吸收,因此開發(fā)能在可見光波段具有響應(yīng)能力的ZnO具有十分重要的意義。在本文研究中,利用水熱法在碳纖維紙上制備ZnO納米陣列,并將其應(yīng)用于光催化和光電探測上。具體內(nèi)容如下:1.基于碳纖維紙上,采用簡單水熱法在其上制備了含有穩(wěn)定缺陷態(tài)的ZnO納米陣列;表征結(jié)果顯示:該納米陣列ZnO結(jié)構(gòu)是由若干個納米級的納米棒集合而成,垂直原位生長于碳纖維紙上。利用XPS、PL和EPR對所制備樣品的缺陷態(tài)進(jìn)行了綜合的測試與對比分析;最終得到:所制備的樣品是由多根ZnO納米棒集合而成的,樣品中沒有單質(zhì)鋅即0價的鋅存在,鋅元素的主要是以+2價態(tài)存在于體系中的;據(jù)此我們推測我們所制備的ZnO納米陣列因為有穩(wěn)定0價的氧空位(Vo)使得材料能在可見光波段下穩(wěn)定工作的。2.基于上述已制備好的ZnO納米陣列進(jìn)行可見光下光催化降解羅丹明B實驗。實驗結(jié)果為:在可見光照射下,140min后羅丹明B降解90%左右;重復(fù)該實驗5次,實驗結(jié)果每次基本相同,穩(wěn)定性優(yōu)秀。為了進(jìn)一步定量說明實驗結(jié)果,建立了數(shù)學(xué)模型。發(fā)現(xiàn)降解率k與羅丹明B濃度C和羅丹明B初始濃度C0滿足一定的線性關(guān)系,并計算出常數(shù)k為0.010 min~(-1)。結(jié)合第三節(jié)對樣品的結(jié)構(gòu)與能帶分析,從氧空位的缺陷態(tài)解釋了樣品在可見光下降解的機理。3.基于上述已制備好的ZnO納米陣列進(jìn)行可見光下光電探測實驗。實驗結(jié)果為:在可見光的照射下,周期為40s,循環(huán)四十次實驗條件下,明暗電流在500s后穩(wěn)定不變。明電流約為0.75μA,暗電流約為0.28μA,明暗電流比約為2.67;明電流上升時間下降時間分別為2.31s和8s。進(jìn)過分析:ZnO禁帶寬度(Eg)為3.25e V,氧空位形成的能級距離價帶頂約為2.10e V。作為n型半導(dǎo)體,ZnO陣列將使得水變?yōu)镠2和并形成正電中心,ZnO費米能級高于水中氫能級,電子首先進(jìn)入ZnO中并達(dá)到新的平衡;形成的內(nèi)建電場以肖特基勢壘工作。
【圖文】：

過程圖,半導(dǎo)體光催化,過程,量子產(chǎn)率