1 太原学院 材料与化学工程系，山西太原030032
2 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001
为了获得具有多波段响应的ZnO基宽光谱光电探测器，将ZnO与其它窄带隙半导体耦合构建异质结，并基于此制备了光电探测器。本文采用水热法结合连续离子层吸附反应法在FTO衬底上成功制备了ZnO纳米棒/Bi2S3量子点异质结材料。通过扫描电子显微镜和能谱仪表征了ZnO纳米棒/Bi2S3量子点异质结的表面形貌和元素组成。结果表明，Bi2S3量子点均匀且致密地附着在整个ZnO纳米棒上。此外，基于该ZnO纳米棒/Bi2S3量子点异质结制备的探测器能够在无外加偏压条件下工作，即具有自供能特性。与ZnO纳米棒探测器相比，ZnO纳米棒/Bi2S3量子点探测器在紫外光照射下的光电流增大了0.065 mA，这主要是因为两者形成的异质结能够有效抑制光生载流子的复合。此外，ZnO纳米棒/Bi2S3量子点探测器对可见光也具有优异的探测能力，其对波长为470 nm的蓝光和530 nm的绿光的探测均表现出良好的循环稳定性。
异质结 紫外探测 可见光探测 ZnO纳米棒 Bi2S3量子点 heterojunction UV photodetection visible light photodetection ZnO nanorods Bi2S3 quantum dots 光学 精密工程
2022, 30(16): 1915
1 太原理工大学材料科学与工程学院,太原 030024
2 太原理工大学,新材料界面科学与工程教育部重点实验室,太原 030024
3 太原理工大学航空航天学院,太原 030024
4 4.山西先进永磁材料与技术协同创新中心,临汾 041004
利用低温水热法在p-GaN薄膜上生长了铟(In)和镓(Ga)共掺杂的ZnO纳米棒。X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线能量色谱仪(EDS)结果表明,In和Ga已固溶到ZnO晶格中。扫描电子显微镜(SEM)结果表明, ZnO纳米棒具有良好的c轴取向性,随着In和Ga共掺杂浓度的增加,纳米棒的直径减小,密度增加。XRD结果表明,In和Ga共掺杂引起ZnO晶格常数增大,导致(002)衍射峰向低角度方向偏移。同时,ZnO的光学性质受到In和Ga共掺杂的影响。与纯ZnO相比, 共掺杂ZnO纳米棒的紫外发射峰都出现轻微红移,这是表面共振和带隙重整效应综合作用的结果。I-V特性曲线表明,随着In和Ga共掺杂浓度的增加,n-ZnO纳米棒/p-GaN异质结具有更好的导电性。
In和Ga共掺杂 ZnO纳米棒 n-ZnO/p-GaN异质结 低温水热法 光学性质 导电性 光电性能 In and Ga co-doping ZnO nanorod n-ZnO/p-GaN heterojunction low-temperature hydrothermal method optical property conductivity photoelectric property
1 福州大学至诚学院，福州 350002
2 中国福建光电信息科学与技术创新实验室，福州 350108
3 福州大学 物理与信息工程学院，福州 350108
针对传统图形化工艺复杂且图形未经精细设计，导致电场分布不均匀的问题，通过ANSYS Maxwell 16.0仿真软件研究电子运动轨迹规律，提出图形化发射体阵列有效发射尺寸和最佳阵列间距阴极结构的新思路，改善场发射性能。仿真结果表明，当阵列间距为200 μm时，图形化阵列中心区域的电场分布平坦，阵列四周突变上升。这是由于阵列边缘部分相比于阵列中心区域部分更表现出针尖的特性，当阵列间距越小时，单元阵列之间的边缘区域场强叠加，出现场强叠加区。当阵列间距逐渐增大时，场强边缘叠加效应削弱，同时电场屏蔽效应也削弱。因此，阵列边长越大，为400 μm时，阴极表面场强趋于平坦，场强边缘叠加效应和电场屏蔽效应达到平衡。而阵列间距增大到600 μm时，会导致单元阵列平面中心位置相对较远，单元阵列场发射相对独立，电子发射出现空档区域。因此，阵列间距选取适中数值时，阵列边缘场强叠加效应削弱，四周电场也不会出现盲区，电场基本达到均匀分布。根据仿真结果，通过喷墨打印图形化种子层实现图案化发射体阵列精准定位，再水热生长ZnO纳米棒阴极阵列。场致发射实验结果表明，随着间距的增加，开启场强Eon从200 μm时的2.95 V/μm降低到400 μm时的0.57 V/μm，并进一步变为600 μm时的2.26 V/μm；而场增强因子β随阵列间距从200 μm增加到600 μm，先增大后减小。这与仿真结果吻合，即在ZnO阴极阵列有效发射尺寸为200 μm情况下，当阵列间距为400 μm时，场发射性能最优，其开启场强为0.57 V/μm，场发射增强因子为32 179。通过调控图形化阵列电子发射轨迹，从而减小场叠加和场屏蔽效应可以改善场发射性能。结合图形化设计和喷墨打印的高效性，有望实现高性能场致发射电子源。
电子源 场致发射 喷墨打印 ZnO纳米棒 图形化阵列 水热生长 Electron source Field emission Inkjet printing ZnO nanorods Patterned array Hydrothermal growth
东南大学生物科学与医学工程学院 生物电子学国家重点实验, 江苏 南京 210096
采用水热法制备了Er3+掺杂的ZnO纳米棒阵列, 通过场发射扫描电镜、X单晶衍射谱仪、透射电镜、微区显微光谱仪等对其形貌结构和发光性能进行了表征。结果表明, 掺杂前后ZnO纳米棒的形貌及晶型结构未发生改变, Er3+被均匀地掺杂至ZnO纳米棒中, 并未发现形成Er2O3; 掺杂Er3+后样品的光致发光光谱显示400 nm左右蓝光部分占比先提高后减少, 其可见光占比减少归因于Er3+填补了一部分锌空位缺陷, 同时抑制了一部分氧空位缺陷。结合荧光寿命光谱分析也可发现其辐射发光部分寿命延长, 表明荧光辐射效率提高。最终选取掺杂浓度为30%的单根ZnO纳米棒制备ZnO/GaN异质结发光二极管, 与未掺杂Er3+的样品相比, 其电致发光强度提高了5倍。本研究可为ZnO基电致发光器件的性能改善提供一种简便可行的方法。
ZnO纳米棒阵列 Er3+掺杂 缺陷调控 电致发光器件 ZnO nanorod array Er3+ doping defect control electroluminescence device
1 吉首大学药学院，吉首 416000
2 锰锌钒产业技术湖南省2011协同创新中心，吉首 416000
3 吉首大学，武陵山地区民族药解析与创制湖南省工程实验室，吉首 416000
4 吉首大学，实验室与设备管理中心，吉首 416000
基于p-n结的光生伏特效应可构筑性能优异的UV探测器，本文采用水热法可控制备竖直排列的氧化锌纳米棒阵列(n型ZnO-NRs)，利用原位聚合法在ZnO-NRs表面上修饰p型聚苯胺线膜(PANI-NWs)，再组装成ZnO-NRs与ZnO-NRs/PANI-NWs紫外探测器。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外可见漫反射(UV-Vis)光谱表征样品的形貌、结构与光学性质。并通过电化学工作站测定电流-时间(I-t)和电流电压(I-V)曲线，表征其光响应性能。结果表明，制备的ZnO-NRs/PANI-NWs材料阵列排列整齐，界面接触良好，孔隙均匀。ZnO-NRs/PANI-NWs探测器在检测365 nm紫外光时，光电流为2.73×10-4 A; 检测254 nm紫外光时，光电流为1.44×10-4 A。其光电流为ZnO-NRs探测器的4~10倍，ZnO-NRs和PANI-NWs之间形成的p-n结增强了光电导。用ZnO-NRs/PANI-NWs材料组装成的UV探测器体现出稳定性好，响应速度快，恢复时间短，电流增益高等优点，为开发高性能紫外光电探测器提供数据支撑。
导电聚苯胺 ZnO纳米棒阵列 水热法 p-n结 光生伏特效应 紫外探测性能 conducting polyaniline ZnO nanorod array hydrothermal method p-n junction photovoltaic effect UV detection performance
河南科技大学 材料科学与工程学院,河南 洛阳 471000
采用溶胶-凝胶法制备得到不同浓度Bi3+掺杂ZnO籽晶层, 又进一步采用水热法合成了六方纤锌矿结构的ZnO纳米棒。通过X线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、光致发光(PL)谱等测试手段对样品结构、形貌和光学性能进行测试和表征。结果表明, 在不同浓度Bi掺杂ZnO籽晶层上生长纳米ZnO薄膜, ZnO的晶体结构没有改变, 均为六方纤锌矿结构,且(002)晶面的峰强明显高于其他晶面的峰强值; 在FESEM电镜观察下发现, 不同掺杂浓度Bi掺杂ZnO籽晶层上水热生长的纳米ZnO薄膜均为纳米棒状。PL光谱显示随着Bi掺杂量增加, 样品的近紫外发射峰和晶格缺陷峰等峰值明显增大,且有红移现象产生。其中禁带宽度随着Bi掺杂量的增大而减小, 说明Bi3+可以有效地调节ZnO的禁带宽度。
Bi3+掺杂 ZnO纳米棒 溶胶-凝胶法 水热法 光学性质 Bi3+ doping ZnO nanorods Sol-Gel method hydrothermal method optical property
复旦大学 化学系, 上海市分子催化和功能材料重点实验室, 上海 200433
作为绿色、高功率密度的二次电池, 镍锌电池的应用往往受限于负极材料性能的不足。本工作以乌洛托品(HMT)为模板剂, 通过溶胶-凝胶法合成与热退火处理制备了高性能ZnO纳米棒。透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和红外光谱(FT-IR)数据分别揭示了ZnO纳米棒的微观形貌、晶型结构和表面官能团。X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(EPR)结果表明ZnO纳米棒中存在表层碳和晶格空位。Tafel曲线和电化学阻抗等测试表明: 与ZnO商品相比, ZnO纳米棒电极的腐蚀电流和电荷转移电阻分别降低了40%和62%。进一步研究发现, ZnO纳米棒构筑的镍锌电池具有更好的循环性能, 在1 A·g-1下循环100圈后, ZnO纳米棒的容量保持率为92%, 显著优于市售的ZnO粉末(32%)。
镍锌电池 晶格空位 ZnO纳米棒 负极材料 电化学性能 nickel-zinc battery lattice vacancy ZnO nanorod anode material electrochemical performance
1 武汉理工大学,硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070
2 武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070
采用两步法在二氧化锡掺氟(SnO2∶F，FTO)导电玻璃基板上制备出钇(Y)掺杂多孔结构氧化锌(ZnO)纳米棒，首先利用浸渍-提拉法在FTO导电玻璃基板上 制备ZnO晶种层，然后利用水热法在ZnO晶种层上生长Y掺杂ZnO纳米棒。研究了不同浓度Y掺杂ZnO纳米棒的晶相结构、微观形貌、化学组成及光学性能。实验结 果表明：所制备的Y掺杂ZnO纳米棒为沿c轴择优取向生长的六方纤锌矿结构，随着Y掺杂浓度的增加，ZnO纳米棒(002)衍射峰强度先增大后减小，纳米棒的平均 长度由1.3 μm增加到2.6 μm。ZnO纳米棒的形貌由锥状结构向柱状结构演化，纳米棒侧面的孔洞分布密度增加。所制备的Y掺杂ZnO纳米棒具有一个较弱的紫 外发光峰和一个较强的宽可见发光峰。所制备样品的光学带隙随着Y掺杂浓度的增加而减小，其光学带隙在3.29~3.21 eV之间变化。利用Y掺杂ZnO纳米棒作为 量子点敏化太阳能电池的光阳极可极大提高太阳电池的光电转换效率。
ZnO纳米棒 Y掺杂 水热法 浸渍-提拉法 光学性能 ZnO nanorod Y doping hydrothermal method dip-coating method optical property
1 太原学院 理化系, 山西 太原 030032
2 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
3 聊城大学 物理科学与信息工程学院 山东省光通信科学与技术重点实验室, 山东 聊城 252000
本文采用水热法在ITO衬底上制备了ZnO纳米棒阵列, 然后用化学水浴沉积法在纳米棒上制备CdS量子点。分别利用SEM和XRD对样品形貌和晶体结构进行表征。结果表明, 球状的CdS量子点均匀地包覆在ZnO纳米棒表面, 且结晶质量较好。基于ZnO纳米棒和ZnO纳米棒/CdS量子点制备的探测器对紫外光都具有很好的响应, 然而与ZnO纳米棒探测器相比, ZnO纳米棒/CdS量子点探测器在相同条件下的光电流提高了7倍, 为052 mA。此外, ZnO纳米棒/CdS量子点探测器对绿光和蓝光也表现出了很好的响应。
ZnO纳米棒 CdS量子点 异质结构 紫外探测 可见光探测 ZnO nanorods CdS quantum dots heterostructure UV photodetection visible light photodetection
1 福建师范大学 协和学院， 福州 350108
2 厦门理工学院 福建省功能材料及应用重点实验室，福建 厦门 361024
3 河南师范大学 物理与材料科学学院 河南省光伏材料重点实验室， 河南 新乡 453007
采用简化的种子层制备工艺在ITO基底上制备了ZnO种子层，并使用化学溶液沉积法制备了高度取向的ZnO纳米棒阵列。采用XRD和SEM对ZnO纳米棒的结构和形貌进行表征，并对样品的光学性能进行了测试。测试结果表明，所制备的ZnO纳米棒为c轴择优取向的六角纤锌矿结构，直径为66~122nm可控，且排列紧密，形貌规整。光学性能测试结果表明，吸收光谱在375nm附近表现出强烈的紫外吸收边是由于禁带边吸收引起的；反射光谱具有一定的周期振荡性，可用于薄膜厚度的估算；光致发光谱在378nm附近有很强的紫外发射峰；增大生长液浓度和高温退火可降低缺陷发光，改善结晶质量。
ZnO纳米棒 吸收光谱 反射光谱 光致发光谱 ZnO nanorods absorption spectrum reflection spectrum photoluminescence spectrum
