摘 要

氧化锌在室温下的带隙为3.37eV、是一种激子束缚能为60meV的n型半导体。由于其优秀的光学电学性能，在激光器、紫外发光二极管、太阳能电池、压电器件、气敏传感器和显示屏等方面具有很好的应用前景。常用的制备氧化锌纳米棒的方法有化学气相沉积法和水热法等，在众多的方法当中水热法以其便捷，高效，成本低，易掺杂等优点成为本实验的首选方法。

论文采用水热法在FTO导电玻璃上制备了钇掺杂氧化锌纳米棒，探究不同ZnO浓度生长液和不同浓度的钇掺杂对氧化锌纳米棒的形貌、光学性能的影响。

实验主要研究内容和和实验结论如下：

（1）在钇掺杂的氧化锌纳米棒中，随着生长液中硝酸钇浓度的逐渐增加，氧化锌纳米棒的形貌逐渐变化。随着钇浓度的增加，氧化锌纳米棒的密度增加，钇掺杂对氧化锌的表面改性有显著的影响。随着掺杂浓度的增加，纳米棒生长逐渐密集，孔洞也增加，纳米棒平均直径也增加。氧化锌纳米棒的（002）衍射峰随着钇浓度在不断变得更明显，在50 mM时最强，效果最好。

（2）在氧化锌纳米棒的光学性质方面，掺杂浓度越高的纳米棒在可见光波段的光吸收有了更高的吸收系数。随着生长溶液中钇掺杂的浓度的增加，紫外发光峰强度和可见峰明显增加，且在掺杂浓度为0.05M时最大。

关键词：ZnO纳米棒；Y掺杂；水热法

Abstract

The band gap of Zinc Oxide at room temperature is 3.37eV, which is a n type semiconductor with an exciton binding energy of 60meV. Because of its excellent optical and electrical properties, it has a good application prospect in laser, UV light emitting diode, solar cell, piezoelectric device, gas sensor and display screen. The commonly used methods for preparation of Zinc Oxide nanorods include chemical vapor deposition and hydrothermal method. In many methods, hydrothermal method has become the first choice in this experiment with its advantages of convenience, efficiency, low cost and easy doping.

Yttrium doped Zinc Oxide nanorods were prepared by hydrothermal method on FTO conductive glass. The influence of different concentration of ZnO concentration growth liquid and different concentration of Yttrium on the morphology and optical properties of Zinc Oxide nanorods was investigated.

The main contents and conclusions of the experiment are as follows:

(1) In yttrium doped Zinc Oxide nanorods, the morphology of Zinc Oxide nanorods gradually changes with increasing concentration of yttrium in growth solution. With the increase of yttrium concentration, the density of Zinc Oxide nanorods increases. Yttrium doping has a significant effect on the surface modification of Zinc Oxide. With the increase of doping concentration, the nanorods grow densely, the pores increase, and the average diameter of nanorods increases. The (002) diffraction peaks of Zinc Oxide nanorods become more obvious with yttrium concentration, the strongest at 50 mM, and the best.

(2) In the optical properties of Zinc Oxide nanorods, the higher absorption coefficient of the nanorods doped in the visible band is. As the concentration of yttrium doped in the growth solution increases, the intensity and the visible peak of the UV emission peak increase obviously, and the maximum is at the doping concentration of 0.05M.

Keywords：Zinc Oxide nanorods;Yttrium doping; Hydrothermal method

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 氧化锌的基本性质 2

1.3 氧化锌纳米棒薄膜的制备方法 3

1.3.1 化学气相沉积 3

1.3.2 水热法 3

1.3.3 其他方法 4

1.4 钇掺杂对纳米氧化锌薄膜性能的改变 4

1.5 本文主要研究内容 5

第2章 实验过程 6

2.1 实验器材和药品 6

2.1.1 实验器材 6

2.1.2 实验材料 6

2.2 制备方法 7

2.2.1 晶种层的制备 7

2.2.2 氧化锌纳米棒的生长及钇的掺杂 7

2.3 表征手段 8

2.3.1 X射线衍射（XRD）分析 8

2.3.2 扫描电镜（SEM）分析 8

2.3.3 光致发光（PL）分析 8

2.3.4 X射线光电子能谱（XPS）分析 9

2.3.5 紫外-可见光吸收光谱（UV-vis）分析 9

第3章 钇掺杂氧化锌纳米棒的制备及表征 11

3.1 引言 11

3.2 实验部分 11

3.2.1 晶种层的制备 11

3.2.2 氧化锌纳米棒的生长及钇的掺杂 12

3.3 结果与讨论 13

3.3.1 钇掺杂氧化锌纳米棒的XRD分析 13

3.3.2 钇掺杂氧化锌纳米棒的SEM分析 13

3.3.3 钇掺杂氧化锌纳米棒的光性能分析 15

3.3.4 钇掺杂氧化锌纳米棒的XPS分析 17

3.4 小结 18

第4章 结论及展望 19

4.1结论 19

4.2 展望 19

参考文献 20

致谢 22

第1章 绪论

氧化锌具有较高的电子迁移率和扩散系数，使电子更容易注入导带，而且氧化锌具有一些其他的优点，诸如热稳定性高、生长容易、合成成本低等^[1]。但由于纯氧化锌具有较差的导电性，因此掺杂通常是使其导电性提高的必要条件^[2]。

1.1引言

随着人类社会、经济、工业、军事的发展，人们发现了发展是离不开能源的利用的，而随着人们意识到传统能源不能满足人类发展的美好需要的时候，太阳能因为其取之不尽用之不竭而成为了越来越多的研究的目标。太阳能电池的发展从开始到现在大概经历了三个阶段的发展晶体太阳能电池，以硅为代表的单晶硅，多晶硅太阳能电池为第一阶段；CdTe等二代多元化合物薄膜太阳能电池为第二阶段。这两个阶段的产物由于研究早的原因，占据了现在大部分的市场。但同时，他们都有着成本高的特点，限制了其应用方向，考虑到此，市场需要更低成本的太阳能电池。

基础理论的研究不断深入和科学技术不断创新都积极的推动了太阳能电池的发展。在1954年，D.M.Chapin、C.S.Fuller以及G.L.Pearson在贝尔实验室使用表面抛光的硅制作PN结，分别在硅片两侧蒸镀上金属电极制得了世界上第一块可用的硅太阳能电池。现代晶体硅太阳能电池逐渐开始进入人们视线。随着研究的深入，硅基太阳能电池的转换效率其由开始的4.5%上升到25%，制造工艺渐渐成熟，光电转换效率提高，占据了主要的商用市场。

从半导体物理的角度出发，理想的太阳能电池材料是直接带隙半导体。其带隙宽度应在1.1~1.7eV之间，接近1.4eV时达到最大的光电转化效率，材料无毒且易获取，同时性能稳定且有较长的使用寿命还适合大面积薄膜化生产。然而硅具有1.1eV的禁带宽度，与上所应有的范围处于光转换的下限值，并不是良好的电池材料，现有的硅基太阳能电池的最高转换效率为25.6%接近理论极限理，而硅材料在700微米厚度时能充分利用太阳光能谱，而这所需的硅材料相对而言较厚，造成成本的提高，同时在吸收太阳光时由于材料较厚，不利于产生的少子的迁移扩散，对电池的效率产生影响。由于硅基太阳能电池的高成本，硅晶在制造过程中的高能耗高污染问题，在有效控制生产成本和提高光吸收效率上人们进行了多方面探究，人们找寻新的材料，结合纳米材料的应用，人们又将纳米科技与太阳能结合到了一起。

近年来，纳米科学与技术的发展十分之迅速，纳米科技的不断发展与进步离不开纳米材料的支持，纳米材料所具有的经典的表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应以及介电限域效应等，是其作为纳米科技的基础的原因。同时，21世纪是一个全新的电子信息时代，离不开半导体材料。

常见的半导体材料现在有氧化锌和二氧化钛，我们将这两者进行比较，二氧化钛和氧化锌具有相类似的带隙（~3.2eV）和物理性质，但氧化锌具有比二氧化钛更高的电子迁移率^[3]。将氧化锌和纳米材料两个因素进行结合，氧化锌纳米棒结构已经被作为太阳能应用深入研究。氧化锌纳米棒增加了表面积，以增加量子点的负载，并促进了电子的直接运输。然而，氧化锌纳米结构由于其比二氧化钛纳米结构的转换效率低，在量子点敏化太阳能电池中很少使用。随着氧化锌纳米结构的掺杂，氧化锌其量子点敏化太阳能电池的性能得到了提高。在最近的研究中，Eskandari等人，用铝掺杂氧化锌纳米棒使量子点敏化太阳能电池的复合电阻降低，转化效率从0.57%提到了1.15%。

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