【摘要】：ZnO是一種重要的寬禁帶半導體光電材料,同時又具有光催化和光誘導表面浸潤性可逆轉(zhuǎn)變,在氣敏傳感器,太陽能電池,激光二極管、污水處理、空氣凈化、防霧和自清潔等諸多領域具有廣泛的應用前景。所以,通過摻雜和優(yōu)化制備工藝條件等手段改善ZnO薄膜的光電性能,增強其光催化活性,提高其接觸角轉(zhuǎn)變范圍以實現(xiàn)超親水/超疏水可逆轉(zhuǎn)變已成為材料科學和化學領域的重要研究內(nèi)容。 本文采用溶膠凝膠技術在不同襯底(硅片和石英玻璃)上制備了未摻雜和Na摻雜ZnO薄膜,利用X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜儀(XPS)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)、紫外可見分光光度計(UV-Vis)、熒光光譜儀(FL)和接觸角測試儀等測試分析薄膜的微結構、組分、表面形貌、紫外可見透射譜、光致發(fā)光譜和表面接觸角等,以甲基橙溶液為模擬污染物,研究薄膜的光催化活性。全面系統(tǒng)地研究預處理溫度、退火溫度和時間和Na摻雜量等對薄膜的微結構、表面化學成分及其價態(tài)、表面形貌、紫外可見透射譜及其光學帶隙、光致發(fā)光帶、表面浸潤性及其可逆轉(zhuǎn)變、光催化活性等的影響。主要結論如下： 利用XRD、AFM、UV-vis和FL等研究預處理溫度和退火時間對Na摻雜ZnO (Na:Zn=0.08)微結構、表面形貌、紫外可見透射、光學帶隙和光致發(fā)光譜等的影響。微結構和表面形貌研究結果顯示,預處理溫度為150℃和250℃的Na摻雜ZnO薄膜出現(xiàn)明顯的c軸擇優(yōu)取向,而預處理溫度為200℃的薄膜則未表現(xiàn)出擇優(yōu)取向。在退火溫度相同的情況下,隨預處理溫度的升高,薄膜的平均晶粒尺寸和表面rms粗糙度均逐漸減小。當退火溫度為400℃,不同退火時間薄膜的XRD圖譜中未觀察到鈉及其氧化物的衍射峰,隨著退火時間的增加,薄膜衍射峰的強度逐漸減��；當退火溫度為600℃和800℃時,經(jīng)90min和120min退火處理的Na摻雜ZnO薄膜中出現(xiàn)了Na02(101)衍射峰。利用紫外可見透射譜計算出薄膜的光學帶隙,對于退火溫度相同的Na摻雜ZnO薄膜,退火時間越長,Eg值越��；而對于退火時間相同的薄膜,退火溫度越高,Eg值越小。PL譜研究結果顯示,預處理溫度較低時,退火溫度對薄膜的PL譜影響較大,高退火溫度薄膜中出現(xiàn)了與缺陷有關的黃綠和藍紫發(fā)光峰；預處理溫度較高時,退火溫度對薄膜的PL譜影響不大。對于相同退火溫度的Na摻雜ZnO薄膜,不同退火時間的薄膜均出現(xiàn)相同光致發(fā)光帶,只是發(fā)光強度和峰位有所變化。 利用XRD、XPS、SEM、AFM、UV-Vis、FL和接觸角測試儀對未摻雜和Na摻雜ZnO薄膜(預處理溫度和退火時間分別為150℃和60min)的微結構、組分、表面形貌、光學帶隙、光致發(fā)光、表面浸潤性和光催化活性進行測試分析。XRD結果顯示,不同Na摻雜ZnO薄膜的所有衍射峰均與六角纖鋅礦結構ZnO的標準譜相對應,當Na:Zn原子比為0.08時,該薄膜出現(xiàn)了明顯的c軸擇優(yōu)取向,該結果表明可以通過改變薄膜中的Na含量來調(diào)節(jié)薄膜的擇優(yōu)取向。表面形貌分析結果顯示,對于相同退火溫度Na摻雜ZnO薄膜,Na含量較低時,相對較小的顆粒均勻而致密分布在薄膜表面；當Na含量較高時,顆粒之間的間隙增多,致密度下降,平均顆粒尺寸增大。XPS分析結果顯示,Na1s峰的半高寬隨Na:Zn的增加先增大后減小,中心峰位值逐漸減小,說明在較高Na：Zn原子比薄膜中,Na離子可能替代了晶格Zn而成為受主NaZn。Zn2p3譜和ZnLMM俄歇譜研究結果表明大部分的Zn元素以Zn2+離子形式存在于薄膜中,而也有少量的Zn元素以單質(zhì)Zn的形式出現(xiàn)在薄膜中。紫外可見透射譜的研究結果表明,所有樣品的光學帶隙均小于塊材的光學帶隙(3.37eV),該結果歸因于晶格失配和偏離化學計量比等局域缺陷產(chǎn)生的帶尾,對于相同退火溫度Na摻雜ZnO薄膜,隨著Na摻雜量的增加,Eg在一定范圍內(nèi)波動。光致發(fā)光譜研究結果顯示,經(jīng)400℃退火處理Na摻雜ZnO薄膜在380-420nm波段范圍內(nèi)出現(xiàn)紫外/紫光發(fā)光峰,在可見光波段出現(xiàn)藍光發(fā)射和黃綠發(fā)光峰,隨著Na摻雜量的增加,紫外/紫光發(fā)射峰先紅移后藍移；經(jīng)800℃退火處理薄膜出現(xiàn)很強的黃綠發(fā)射帶,隨著Na摻雜量的增加,黃綠發(fā)光帶的峰值在540-570nm之間波動。 研究了經(jīng)600℃和800℃退火處理Na摻雜ZnO薄膜的表面浸潤性及其可逆轉(zhuǎn)變,結果顯示,光照之前,薄膜的接觸角較大,而對薄膜進行紫外光照處理—段時間后,薄膜的接觸角逐漸減小,表現(xiàn)為親水性,歸一化接觸角減速比與薄膜中的Na摻雜量密切相關；將60min光照后表現(xiàn)為親水性的薄膜在黑暗處放置7天或者在大氣氛圍中經(jīng)200℃熱處理60min后,薄膜又恢復到光照前的浸潤狀態(tài)。研究了不同退火溫度ZnO薄膜的光催化活性,結果表明,隨著退火溫度升高,薄膜的光催化降解效率由73.4%增大到88.0%；對于不同的反應時間,光催化降解的表觀反應速率分別由0.0056min-1增大到0.0071min-1和從0.0084min-1增大到0.0149min-1。研究了Na摻雜量對600℃退火處理Na摻雜ZnO薄膜光催化活性的影響,結果顯示,隨著Na:Zn原子比的增加,薄膜的光降解效率先增大后減小,在Na:Zn=0.08時出現(xiàn)最大的光降解效率,為89.1%。 本學位論文的創(chuàng)新點在于： 1、深入系統(tǒng)地研究Na摻雜量、預處理溫度以及退火溫度和時間對ZnO薄膜的微結構、表面形貌和光學性質(zhì)的影響,探討可能光致發(fā)光機理,為ZnO光致發(fā)光機理研究提供實驗基礎。 2、研究了未摻雜和Na摻雜ZnO薄膜的表面浸潤性及其光誘導表面浸潤性可逆轉(zhuǎn)變,并對其形成機理給予合理的解釋。 3、研究了未摻雜和Na摻雜ZnO薄膜的光催化性能,并對其光催化機理給出合理的解釋。 4、所制備的未摻雜和Na摻雜ZnO薄膜具有表面浸潤性可逆轉(zhuǎn)變特性,可對模擬污染物進行有效降解,在紫外、藍光和黃綠光區(qū)域具有光致發(fā)光帶,因此,本學位論文的研究工作在光電子器件、污水處理和自清潔等領域具有潛在的應用前景。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：安徽大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：O484.4

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