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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