采用sol-gel提拉法,以聚乙二醇(PEG2000)為模板劑,醋酸鋅為前驅(qū)體,乙醇為溶劑,二乙醇胺為絡(luò)合劑,在玻璃基片上生長了多孔ZnO薄膜,利用SEM和紫外分光光度計(jì)分析了多孔ZnO薄膜的表面形貌和光學(xué)性質(zhì)。研究了涂膜層數(shù),模板劑加入量對(duì)多孔ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和透射率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著涂膜層數(shù)的增加,薄膜的透射率有減小的趨勢;當(dāng)鍍膜層數(shù)一定時(shí),加入PEG2000后,有利于ZnO多孔結(jié)構(gòu)的形成,在一定范圍內(nèi),孔尺寸隨PEG加入量的增加而增大,薄膜的紫外-可見光透射率隨PEG加入量的增加而減小。
氧化鋅(ZnO)是一種直接帶隙、寬禁帶(Eg約3.37eV)的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料,室溫下激子結(jié)合能達(dá)60meV,在壓電換能器、透明導(dǎo)電材料、光波導(dǎo)和氣敏、濕敏傳感器等方面有廣泛的應(yīng)用[1~3],并且產(chǎn)業(yè)化前景看好。特別是自1997年人們觀察到ZnO薄膜的紫外受激發(fā)射后[4~5],很快成為繼GaN之后新的短波長半導(dǎo)體材料的研究熱點(diǎn)。多孔材料具有大比表面積、高孔隙率、高的透過性、可組裝性、高吸附性等諸多性能,多孔ZnO薄膜在半導(dǎo)體光電材料、納米能源材料、催化材料和染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極材料等領(lǐng)域都有應(yīng)用。作為染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極材料,要求ZnO薄膜是多孔的且具有較高的比表面積,這樣可吸附較多的染料,提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率[6]。多孔ZnO薄膜制備技術(shù)主要有:射頻濺射法[7]、離子束濺射沉積法[8]、化學(xué)氣相沉積法[9]、脈沖激光沉積法[10]、溶膠-凝膠法[11]等。
溶膠-凝膠技術(shù)是一種材料制備的濕化學(xué)合成方法,它不需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備,工藝簡單,特別是化學(xué)計(jì)量比容易控制,易于改性摻雜,能從分子水平上設(shè)計(jì)制備材料,在制備氧化物薄膜和納米材料粉體等方面具有廣泛應(yīng)用。目前對(duì)ZnO薄膜的研究主要集中于純ZnO薄膜和摻雜薄膜的光電性能,而專門研究多孔ZnO薄膜的光學(xué)性能及實(shí)驗(yàn)條件對(duì)其結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能影響的論文不多。本文采用溶膠-凝膠法在玻璃基片上制得了高質(zhì)量的多孔ZnO薄膜,研究了不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)薄膜樣品透射率的影響,得到了一些具有應(yīng)用價(jià)值的信息。
1、實(shí)驗(yàn)部分
用電子天平準(zhǔn)確稱取一定量的Zn(CH3COO)2·2H2O,將其溶解在50ml的無水乙醇中,然后放在磁力攪拌器上加熱攪拌(溫度為50℃),待溶液呈乳狀后,用量筒準(zhǔn)確量取一定量的二乙醇胺,逐滴加入到溶液中(30s內(nèi)完成),使x[Zn(CH3COO)2·2H2O]:y[NH(CH2CH2OH)2]比為1:2(摩爾比,下同),再用移液管準(zhǔn)確量取一定量的去離子水,加入到溶液中,使x[Zn(CH3COO)2·2H2O]:y[H2O]比為1:1,繼續(xù)攪拌。待溶液完全澄清后,再加入一定量的模板劑PEG2000,攪拌2h,后得Zn+濃度為0.6mol/L的透明、穩(wěn)定的無色溶膠備用。將玻璃基片(5×25×1mm3)放在鉻酸里浸泡24h,用去離子水沖洗干凈后在丙酮和無水乙醇里各超聲清洗30min,后用去離子水沖洗后干燥備用。
用提拉機(jī)采用浸漬-提拉法涂覆薄膜。將配置好的溶膠密封,在一定溫度和濕度環(huán)境下陳化20~24h后,再置于70℃水浴下放置1h。將清洗干凈的玻璃片豎直、勻速浸入配制好的溶膠中,靜置60s后,以6cm/min的速度垂直、勻速向上提拉基片,涂覆一層后,在100℃烘箱中干燥5~10min后,重復(fù)上述操作以制備多層薄膜。涂覆完后一層膜后,再在100℃下干燥30min,然后將基片置于箱式電阻爐中,以一定的熱處理制度對(duì)試樣進(jìn)行后處理,再隨爐冷卻至室溫,即得到多孔ZnO薄膜,其中升溫速度小于3℃/min,在300℃附近保溫15min左右,再繼續(xù)升溫到500℃處理1h。
用JEOL-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測薄膜的形貌,用UV755B紫外-可見光分光光度計(jì)測試薄膜的光學(xué)透射譜。
3、結(jié)論
以聚乙二醇(PEG2000)為模板劑,醋酸鋅為前驅(qū)體,乙醇為溶劑,二乙醇胺為絡(luò)合,采用sol-gel提拉法,在玻璃基片上生長了多孔ZnO薄膜。不同的實(shí)驗(yàn)工藝對(duì)其性能的影響如下:
(1)在溶膠濃度為0.6mol/L,模板劑的加入量為0.6g時(shí),一次提拉涂膜的厚度約為50~60nm,涂膜層數(shù)越多,薄膜越厚,透射率有下降的趨勢,但下降程度不大;在膜層大于7層后,薄膜的透射率變化不明顯,峰值透射率都在89%附近,且變化很小。
(2)在其它鍍膜條件不變時(shí),薄膜的透射率隨著PEG2000加入量的增加而減小。加入PEG2000后,有利于多孔ZnO結(jié)構(gòu)的形成,孔徑的大小在50~250nm之間,當(dāng)PEG2000的加入量為0.6g時(shí),薄膜形成的孔結(jié)構(gòu)好,孔規(guī)則,呈圓形,大小均一,孔徑大小為120nm左右。
參考文獻(xiàn)
[1]MinamiT,NantoH,TakataS.HighlyconductiveandtransparentaluminumdopedzincoxidethinfilmspreparedbyRFmagnetronsputtering[J].Appl.Phys.1984,23(5):280-282.
[2]HorsthuisWHG.ZnOprocessingforintegratedopticsensors[J].ThinSolidFilms.1986,137(2):185-192.
[3]TraversaE,BearzottiA.Anovelhumidity-detectionmechanismforZnOdensepellets[J].SensorsandActuators.1995,B23(2-3):181-186.
[4]BagnallDM,ChenYF,ShenMYetal.Roomtemperatureexcitonicstimmulatedemissionfromzincoxideepilayergrownbyplasma-assistedMBE[J].CrystGrowth,1998(184/185):605-609.
[5]ZuP,TangZK,WongGKLetal.UltravioletspontaneousandstimulatedemissionsfromZnOmicrocrystallitethinfilmsatroomtemperature[J].SolidStateCommun,1997,(103):456.
[6]楊立榮,劉淑賢,靳正國.溶膠-凝膠法制備多孔ZnO薄膜及其性能表征[J].兵器材料科學(xué)與工程,2006,29(05):48-51.
[7]ZayerNK,GreerfR,RogersKetal.Insitumonitoringofsputteredzincoxidefilmsforpiezoelectrictransducers[J].ThinSolidFilms,1999,352(2):179-184.
[8]ShuichiN,TakaakiT,HiroyukiHetal.StructuralchangesinZnO/NiOartificialsuperlatticesmadebyionbeamsputtering[J].ThinSolidFilms,1997,302(1):133-139.
[9]AtaevBM,BagamadovaAM,DjabrailovAMetal.HighlyconductiveandtransparentGa-dopedepitaxialZnOfilmsonsapphirebyCVD[J].ThinSolidFilms,1995,260(1):19-20.
[10]JosphB,GopchandranKG,ThomasPVetal.Astudyonthechemicalspraydepositionofzincoxidethinfilmsandtheirstructuralandelectricalproperties[J].MaterChemPhys,1999,58(1):71-77.
[11]ChenKJ,HangFY,ChangSJ,HuZS.Microstructures,opticalandelectricalpropertiesofIn-dopedZnOthinfilmspreparedbysol-gelmethod[J].AppliedSurfaceScience,2009April1:6308-6312.
[12]李巍.ZnO多孔薄膜的模板組裝制備研究[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006:31-33.
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