【摘要】：以ZnO、TiO_2、SnO_2為代表的氧化物半導(dǎo)體材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性、電化學(xué)活性和電子傳輸特性,在光電子學(xué)、電化學(xué)、磁學(xué)、催化化學(xué)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種通過對核心層材料進(jìn)行表面修飾和包覆生長而形成的具有特殊性能的復(fù)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(xué)性質(zhì),在光催化、光電傳感器和太陽能電池等領(lǐng)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(chǔ),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(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和修飾改性,進(jìn)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(yīng)的物理機(jī)制進(jìn)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(jìn)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(jī)制進(jìn)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(jìn)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(xué)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(xué)吸收邊也隨之向可見光區(qū)移動,吸光度也顯著增加;進(jìn)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(jī)制進(jìn)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(dǎo)體-金屬(MSM)型紫外光探測器,并對其紫外光探測性能進(jìn)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(yīng)和恢復(fù)速度,進(jìn)一步討論了其中的光探測機(jī)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(jìn)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(jìn)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(dá)10倍以上,器件的響應(yīng)和恢復(fù)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(yīng)度高達(dá)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(dǎo)體、導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖氧化物半導(dǎo)體，是指那些具有半導(dǎo)體特性的氧化物材料。氧化物半導(dǎo)體通常分為 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體，如果一種半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決于價帶中的空穴，則半導(dǎo)體的類型被稱為 P 型半導(dǎo)體。相應(yīng)的，以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體稱之為 N 型半導(dǎo)體。大多數(shù)氧化物半導(dǎo)體納米線的德拜長度與相當(dāng)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(dǎo)電性通過氧化物半導(dǎo)體表面的化學(xué)轉(zhuǎn)化，可以精確地從近絕緣到優(yōu)良半導(dǎo)體進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣的調(diào)控能力使得氧化物半導(dǎo)體材料具有更好的靈敏性和選擇性。這也使得氧化物半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的光學(xué)、電磁學(xué)、力學(xué)和表面物理化學(xué)性質(zhì)。氧化物半導(dǎo)體來源廣泛，易于制備，可被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。例如，被制備成傳感器材料等。1.2 氧化物半導(dǎo)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(rèn)識到用光催化的辦法解決污染。半導(dǎo)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(dǎo)體光催化劑可以利用光激發(fā)半導(dǎo)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(dǎo)體能更好的將水體中的大分子有機(jī)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(jī)物，達(dá)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(yīng)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(yīng)用也成為光催化技術(shù)研究的難點。
【學(xué)位授予單位】：武漢工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O649;TB383.1

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