周小芳[1]2005年在《AAO模板法制备纳米阵列材料及其在拉曼光谱学上的应用》文中指出本文用一步阳极氧化法(one-step anodization)和二步阳极氧化法(two-step anodization),分别以草酸、磷酸、硫酸为电解液制备了阳极氧化铝(AAO)模板。研究了电解液的种类和浓度、氧化电压(电流)、温度、退火条件、阳极氧化时间等对AAO模板厚度、孔径及有序性的影响。通过控制这些参数,制备了纳米孔洞尺寸可精确控制的单通或双通AAO模板。通过SEM和AFM等手段,对阳极氧化全过程进行了表征,结合电流的变化,讨论了不同阶段阳极氧化的情况,分析了自组织孔洞的形成机理。 以两步阳极氧化法制备得到的AAO模板为原型模板,在AAO模板的纳米孔中用激光脉冲沉积(PLD)、磁控溅射、电化学沉积法、压差法、浸润法、溶胶-凝胶法以及激光分子束外延(LMBE)等方法得到了高度有序的金属Ag、Co-Ni合金、Ti-Pd合金、Fe-Pd合金等纳米阵列结构材料。分别用SEM、AFM、TEM和EDX、XRD对其进行了形貌表征和成分分析。SEM和AFM结果表明,得到的金属模板阵列材料排列规则有序,分布均匀,大小均一,与AAO模板的纳米孔分布相当。EDX分析结果显示,该模板法制备的纳米结构材料中各成分的化学计量,与所用材料的成分一致。 以AAO模板为掩模板,复制了新的金属模板,生长了纳米线、纳米管和高度有序的量子点。纳米阵列材料的孑L径和厚度可以通过选择不同孔径的AAO模板和调节沉积时间来控制。这些纳米阵列结构在未来的微型器件领域将有广阔的应用前景。 从光谱学的角度,特别是充分利用SERS(表面增强拉曼光谱)的高灵敏度、高分辨率,可探测单层、亚单层分子结构,对研究界面效应技术有诸多优势,从这一点出发,我们把AAO模板的应用从本质上上升了一个新的领域,特别是第一个发现并创造性的把电解抛光的铝片作为SERS活性基底,以苏丹红分子为探针,得到了一系列高质量的增强拉曼谱。另外,AAO模板本身也是一种高效的SERS活性衬底。 结合高斯计算,在不同条件下,对苏丹红分子在不同基底上的吸附进行了推理论证。
高学森[2]2018年在《镍基纳米线阵列的制备及其电催化氧化降解尿素的研究》文中研究表明过渡金属及其氧化物或与其它活性物质的复合物具有优异的催化性能;纳米线阵列结构具有高比表面积,制备出具有表面缺陷的纳米线阵列,可以增加催化反应中的活性位点;通过合金化可以降低催化反应活化能,以此可制备具有高催化活性的合金纳米阵列。基于此思路,通过阳极氧化铝(AAO)模板电沉积制备镍基纳米线阵列,利用场发射扫描电子显微镜(SEM),X-射线衍射仪(XRD)表征镍基纳米线阵列的形貌和结构;利用循环伏安法(CV),计时电流法,电化学阻抗谱(EIS)研究镍基纳米线阵列对尿素电催化氧化的活性。利用碳导电胶粘贴AAO模板和用泡沫镍固定AAO模板电沉积分别制备出镍纳米线阵列和镍钴合金纳米线阵列,XRD结果表明镍纳米线和镍钴合金纳米线都是面心立方结构,SEM结果显示纳米线平均直径为180 nm,纳米线自身具有较大的长径比,高度有序的纳米线阵列通过合金层与基底接触,具有很强的结合力,且可以通过控制电沉积时间控制纳米线长度,沉积时间400 s-700 s的纳米线长度逐渐增长,当沉积时间600 s,长度约为10μm的镍钴合金纳米线顶部刚好不发生团聚,沉积时间继续延长,纳米线长度也增长,纳米线之间发生明显的团聚现象。电催化氧化尿素的测试结果显示:碳导电胶粘贴AAO模板制备的镍钴合金纳米线,起始电位为0.45 V(相对于Hg/HgO),氧化电流密度为64.3 mA cm~(-2),用泡沫镍固定AAO模板电沉积制备镍钴合金纳米线,沉积时间为600 s时,具有最低的起始电位(0.372 V相对于Hg/HgO)和最高的氧化电流密度(322.82 mA cm~(-2)),优于用碳导电胶粘贴模板制备的镍钴合金纳米线的测试结果,利用镍钴合金纳米线阵列电催化氧化尿素效率的提高,是由于一维自立式镍钴合金纳米线阵列具有较多的活性位点,直接与基底接触有利于促进电子转移,提高了电催化氧化尿素的性能。
任贤明[3]2007年在《多孔氧化铝模板的制备及其在纳米材料中的应用》文中研究表明本文研究了多孔氧化铝膜的结构形貌和生长机理，并且详细地论述了氧化铝模板的制备工艺以及研究制备工艺对模板的影响。此外，本文在电化学阳极氧化制备多孔氧化铝有序模板的基础上，结合电化学方法和其它制备工艺手段成功地制备了一系列纳米有序阵列。本论文主要有以下几个部分组成：1．多孔氧化铝模板的合成采用恒温恒电压的电化学阳极氧化技术成功地合成出孔径为40～50nm的多孔氧化铝模板。利用扩孔工艺处理可以方便控制孔径大小。2．模板法制备Ni纳米线阵列以多孔氧化铝模板为基础，利用直流、交流电化学沉积方法合成高度有序的Ni纳米线阵列。用SEM、XRD、TEM、MPMS对纳米线阵列进行了形貌结构和磁性的表征和分析。3．模板法制备Fe及其硫化物纳米线阵列以模板为基础，利用交流电化学沉积方法合成出高度有序的Fe纳米线阵列，借助SEM、XRD、MPMS对制备Fe纳米线阵列进行了表征和分析。利用氧化铝模板中沉积的金属Fe纳米线阵列，通过硫化工艺处理得到其硫化物纳米线阵列。用SEM与XRD表征和分析了硫化后得到的纳米线阵列的形貌和晶体结构。4．模板法制备Cu及其硫化物氧化物纳米线阵列利用阳极氧化铝模板，合成高度有序的Cu纳米线阵列。将多孔阳极氧化铝模板的电化学沉积技术与真空硫化技术相结合，在制备Cu纳米线的基础之上，制备得到了CuS纳米线阵列；利用多孔阳极氧化铝模板为基底，通过电化学方法制备出铜的氧化物纳米线阵列，将此纳米线阵列经过高温热氧化处理，最终得到氧化亚铜纳米线阵列。采用SEM与XRD表征了纳米线阵列的形貌和结构。
刘文琪[4]2015年在《基于氧化铝模板纳米阵列电极的制备及性能研究》文中研究表明直接肼燃料电池(DHFC)因其能量密度较高(5.42Wh.g-1)、理论电动势较强(1.61V)、理论能量转换效率好(100%)及对环境无污染等优点而受到广泛关注。本论文以二步氧化法制备了通孔阳极氧化铝(AAO),其孔道均匀有序,孔径为60~80nm,孔的密度约为1010个/cm2。采用直流电沉积法以通孔的氧化铝为模板制备金属Pt,Pd和Ag纳米线,利用扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD)表征得出,纳米线表面光滑、纳米颗粒在纳米孔洞内填充完全,且模板内所沉积物质的覆盖率较高。叁种金属纳米线均属于多晶结构,衍射图谱中均没有出现其它明显的杂质峰,均为单质金属的纳米线。将Pt、Pd和Ag叁种纳米线分别制作成相应的纳米线阵列电极,利用循环伏安法和计时电流法研究和分析各纳米阵列电极对肼的电催化氧化性能,并与其相对应的平板电极进行了对比。研究表明Pt、Pd和Ag叁种纳米阵列电极都对N2H4表现出一定的电催化氧化能力,与其相对应的平板电极相比,均具有更高的催化氧化活性。最后,对纳米线具有更高的催化活性进行了简单的理论分析。同时,采用循环伏安法对Pt,Pd和Ag纳米线阵列电极在不同测试条件对肼电催化氧化性能的影响规律进行了分析研究。研究表明:溶液中肼浓度提高,这叁种纳米线阵列电极上催化氧化肼的活性随之增大;增大扫描速率,纳米线阵列电极对肼的催化氧化活性也随之增加,并且各氧化峰的Ip值随扫描速率v1/2成正比关系。最后,利用计时电流法研究表明纳米阵列电极催化氧化肼具有更好的稳定性和耐受性。
李培栋[5]2011年在《模板法制备一维纳米材料阵列及表征》文中指出本论文紧扣当前趋势,旨在制备和表征一维纳米材料阵列,为实现其未来在纳米器件具体应用提供可靠的参考和依据。首先,论证了紫外光刻法制备规则图案化AAO模板的实验参数,包括光刻胶用量、光刻时间、前后烘温度、显影时间,成功制备了QDU型和圆孔型不同尺寸的图案化结构,并以此为“二次模板”采用溶液浸润模板法和熔融浸润模板法制备了图案化的一维聚苯乙烯(PS)/聚酰胺66(PA66)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)/聚酰胺(PA11)纳米阵列,以扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征了其微观外貌特征以及一维聚合物纳米材料生长中不同微观结构与溶液浓度和光刻胶熔点的关系。其次,以模板法结合电沉积技术制备了一维Cu纳米线阵列、一维Ni纳米管/线阵列、一维Fe纳米管/线阵列和一维Co纳米管阵列,证明铁磁性金属在较短沉积时间内(15min)优先生成纳米管结构,随着时间增长最终生长为纳米线结构；此外以规则一维Ni纳米管阵列为“二次模板”电沉积制备了一维Fe/Ni纳米电缆和一维Co/Ni纳米电缆以及结合溶液浸润法和电沉积技术制备了一维Cu/PS纳米电缆,以SEM和TEM手段表征了纳米电缆的核壳同轴结构。最后,通过VSM测试对一维Ni、Fe和Co纳米材料及一维Fe/Ni纳米电缆进行了磁性能研究,证明了通过电沉积制备的一维纳米材料都表现显着的剩磁现象和磁滞现象,具有不同的矫顽力和磁矩；同时由磁滞回线表明一维铁磁性纳米材料具有磁各向异性,在平行于长轴方向上表现出高的磁感应,相比于垂直长轴方向上易磁化。
梁汉璞[6]2002年在《纳米线的制备和纳米微电极的研究》文中进行了进一步梳理一维纳米材料具有一些新奇的电学、光学、磁学和化学性质，在太阳能电池、传感器、催化剂、吸附剂和纳米微电极等诸多重要技术领域有着广泛的应用前景。微电极由于其小尺寸表现出许多不同于常规电极的优良的电化学特性，如：高传质速率、小时间常数、低IR降、高信噪比和高电流密度等，因此，微电极成为电化学和电分析化学的前沿领域之一。纳米微电极除具有微电极的一般特性外，还应具有源于纳米材料自身特性的，不同于微米微电极的电化学性质。纳米微电极的优点及其在电化学动力学、伏安检测、修饰纳米微电极、传感器、成像探针利单分子检测等方面的应用显示了其更广阔的潜在应用背景，引起电化学家和电分析家的极大兴趣。因此，纳米微电极在应用及基础理论方面都有重要的研究价值。 本论文采用阳极氧化水制备出规整有序的呈六方点阵排列的自组装多孔阳极氧化铝模板；以多孔阳极氧化铝作模板，采用电化学模板合成法制备出了不同直径的铂和金的纳米线，并用XRD、TEM和ISEM对这些纳米线进行表征；将这些纳米线进一步制备成纳米阵列电极和纳米盘微电极，并采用循环伏安法测试纳米微电极的充电电流和法拉第电流。 一、通过选择适当的阳极氧化条件，如阳极氧化电压、温度和电解液等，我们成功的制备出孔径分别为20nm和50mn的规整有序的呈六方点阵排列的多孔阳极氧化铝模板，并制备出孔间距较大的孔径为100nm的多孔阳极氧化铝模板。 wB 一、／1价门训川多寸卜收WH从”巡胜1二J八M人十【；帅u 以镀银的多于＊H极氧＊亡为模扳，川帼压州七学沉州腑了直出附1 为川nm，50nn。和10＊nm铂和金的纳米线，用x＊D、＊日M和S＊M对这 些纳术线进行表征。分析的结果表明，所得铂和金的纳米线直径、长 度均匀，受AAO梭扳孔径的限制，纳术线的白径与孔的引毛川吻大， ＿二、自次采J。川旬单、快捷只盂川肾担的山化学f义器的厂泌击临了 纳术阶列心极和纳米秋微吧欣，川SEM对制得的纳米微电fM进行大 征。纳米微心极允I卜匕流小，即双山层电容小，能提高信噪比，我11”l 制备的纳米叩列微l匕极和纳米盘微山极的扩散均属于纳米线的扩散区 重迭的情况，在扫撒栓率非常低卜卜 其扩散‘隋况与大尺寸平板电极的 扩敞悄况相似，得到丫专统的峰形伏女图。理论1二，观测到的土流与在 川问儿I引f帅＊勺人尺上U侧皿测的｛而／、门－致。随石川儿巡度们增 大，电流受在径向扩敞区的径向传输的控制，伙安图的峰形M小，而 逐汕‘卜现U卜． 洲问州H的阳圾氧化出跤饭的孔密度较大，线间距较小。仍镐进 小探水对川仆L丫卜7lef小而什D‘W【畸父人的以协｝川in ＃纳术微．U任，以 求制备更加能表现纳米微电极特性问微电极。
陈晓萍[7]2016年在《叁维结构磷酸铁锂纳米线阵列的制备及其电化学性能研究》文中研究说明磷酸铁锂(LiFePO_4)作为锂离子电池正极材料,有着污染性低、高温安全稳定,原料便宜等优点,但也存在电子传导和锂离子扩散系数低的缺点,因此其倍率性能较差。目前主要通过制备纳米化的LiFePO_4来解决该问题。但纳米化材料的尺寸分布通常不均一,且比表面积大,振实密度小,增加了锂离子的扩散距离。因此,寻找一种既可以减少晶粒尺寸又可以提高电导率和锂离子扩散速率的方法尤为重要。本论文设计并制备了叁维结构LiFePO_4纳米线阵列,既减少了LiFePO_4的尺度,也提高了电导率和锂离子扩散速率,提高了材料的充放电性能。本论文采用二步阳极氧化的方法制备了厚度可控、孔径可调的阳极氧化铝(AAO)模板。实验结果表明:控制二次氧化的时间可以调节AAO模板的厚度,孔径的大小和磷酸扩孔时间也存在一定线性关系。实验可制得孔径大小60-400nm的AAO模板。以氯化亚铁、柠檬酸、磷酸、碳酸锂为原料,通过溶胶-凝胶法可以制得均一的Li Fe PO4纳米级颗粒。柠檬酸的加入既起到了包覆导电碳的作用,也抑制了颗粒的长大,制得的颗粒尺寸约100nm,电导率为3.1×10-3S/cm。纳米颗粒也表现出了良好的电化学性能。在0.1C和10C的充放电容量为156m Ah/g、88m Ah/g,且10C循环50圈容量衰减率小。以PVP为粘结剂通过静电纺丝制备出直径为100nm的一维Li Fe PO4纳米线,该纳米线的电化学性能均与纳米颗粒接近,说明纳米线也可以降低Li Fe PO4的尺寸,减小锂离子扩散的曲折距离,从而提高了Li Fe PO4的电化学性能。上述纳米材料的成功制备为制备叁维纳米线阵列奠定了基础。以阳极氧化铝(AAO)为模板,采用上述溶胶-凝胶法制得的LiFePO_4前驱体,利用真空负压将前驱体填充入模板中,并进行脱模干燥处理,可得到叁维Li Fe PO4纳米线阵列。阵列中的纳米线直径与模板孔径一一对应,且排列规整,互相平行。由于特殊的纳米线结构形成了定向的锂离子传输通道,缩短了锂离子的扩散距离,因此,相对纳米颗粒而言,阵列与电解液的接触电阻降低,锂离子传输速度加快(2.87×10-14 cm2/s),且反应的可逆性增加,循环性能和倍率性能得到了进一步提高,在0.1C和10C下充放电容量可达160m Ah/g、106 m Ah/g。
赵世华[8]2010年在《ZnO纳米阵列的制备和稀土掺杂工艺及其发光性能的研究》文中指出本论文以制备高有序的多孔氧化铝模板为前提,用电场辅助沉积的方法制备出了纳米针尖阵列、纳米管阵列和纳米线阵列。利用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、能谱仪、热重分析等检测手段对制备的样品进行了相应的分析和表征。用近场光学扫描显微镜和荧光分光光度计研究了样品的发光性能,并分析了发光机理。本论文的研究步骤、内容及得到的结论如下:1.通过二次阳极氧化法制备了高有序的氧化铝模板。孔的生成密度较大,排布非常均匀。其孔径尺寸大概在60-80 nm之间,并且孔径形状绝大部分呈六边形排列,整体形状趋于一致,个别孔状呈圆形或椭圆形。通过二次阳极氧化的方法,在草酸溶液中还合成了半壁氧化铝纳米管阵列。半壁氧化铝纳米管阵列在302 nm处的发射峰是由1B→1A的电子跃迁引起的,属于F+型发光。经过高温退火和酒精中超声,还制备出了氧化铝微米树。该微米树,有明显的树干和树枝组成。树干的平均宽度在1μm左右,平均长度在20-30μm,树枝的平均宽度在1-2μm,平均长度在3-5μm。并且微米树树干的形成不是沿单一生长方向的,而是沿着不同方向同时生长的,呈明显的X交叉型生长模式。2.在室温下使用电场辅助沉积的方法,在高有序的氧化铝模板一侧的阴极槽中得到了Zn(NO_3)_2和中性H_2C_2O_4溶液的沉淀物,即制备出了ZnC_2O_4纳米针尖阵列,随后经800 oC退火热处理转变为ZnO纳米针尖阵列。其生长过程主要是以氧化铝模板的高有序孔道为生长空间,由ZnC_2O_4沉淀堆积而成并沉积在阴极槽中。通过扫描电镜观察,该针尖的尺寸在80 nm左右,正好符合氧化铝纳米孔的尺寸,也进一步证实了本论文中对ZnO纳米针尖阵列形成机理的探讨。通过X射线衍射分析和ZnO针尖顶部的高分辨图,可以知道该ZnO在[101]方向上有择优生长的趋势,且该ZnO结构是多晶的。由发光性能的检测结果表明,该ZnO纳米针尖阵列具有良好的光学性能。随着退火温度的升高和退火时间的增加,510 nm处的绿光发射带减弱,而379 nm附近的带边发射增强。该ZnO纳米针尖阵列有望在场发射中投入使用,具有很重要的研究价值。3.通过电场辅助沉积的方法,用多孔阳极氧化铝模板合成了ZnO:Tb~(3+)纳米管阵列。通过X射线衍射图可以知道沉积在氧化铝模板孔道中的沉淀物是ZnC_2O_4、Zn(OH)_2和Tb(OH)_3的混合产物。结合红外吸收光谱更加断定了ZnO:Tb~(3+)纳米管阵列是由草酸盐沉淀和氢氧化物沉淀热分解而来的。通过扫描电镜观察,所制备出的ZnO:Tb3+纳米管直径和管壁厚度分别在80 nm和15 nm左右。通过对发射光谱图的分析,可以判断344 nm处新的紫外发射带是由于氧化铝模板本身而产生的。也就是说,当用235 nm的光激发ZnO:Tb~(3+)纳米管阵列样品时,氧化铝纳米管同时也被激发了,从而发射出344 nm的紫外光。4.通过电场辅助沉积的方法,用阳极氧化铝模板合成了ZnO:Eu~(3+)纳米线阵列。通过X射线衍射图和高分辨透射电镜图可以认为Eu~(3+)离子已经掺入了ZnO的晶格中去了。通过扫描电镜观察,所制备出的ZnO:Eu~(3+)纳米线直径尺寸大概在80 nm。高分辨透射电镜图和傅里叶变换可以说明所制备出的ZnO:Eu~(3+)纳米线是单晶结构,并且沿着[0001]方向择优生长。通过对发射光谱图的分析,认为ZnO基质与掺杂的Eu~(3+)离子之间可能存在着能量传递。而306 nm处新的紫外发射峰是由于氧化铝模板本身而产生的。也就是说,当用395 nm的光激发ZnO:Eu~(3+)纳米线阵列样品时,氧化铝纳米管同时也被激发了,从而发射出306 nm的紫外光。
夏田雨[9]2013年在《模板法制备银纳米线阵列及其光学性质研究》文中研究表明有序纳米体系因其高度的有序性以及独特的局域表面等离子体共振效应(LSPR),在光电子器件、生物分子传感器、信息存储以及表面增强拉曼散射(SERS)光谱等方面有着广阔的应用前景。在众多制备有序纳米体系的方法中,电沉积阳极氧化铝模板(AAO)具有良好的可控性和可操作性而得到广泛应用,近年来,以阳极氧化铝模板为辅助的化学沉积已经能够制备出许多纳米材料,比如量子点、纳米线阵列、纳米棒阵列等。表面增强拉曼散射(SERS)技术是以拉曼散射效应为理论基础建立起来的分子结构表征技术,具有实时检测的特点,是研究分子表面及分子间相互作用的有力工具。能够检测吸附在金属表面的单分子层和亚单分子层里的分子,给出表面分子的结构信息,被认为是一种应用广泛的表面光谱技术。作为一种非常灵敏的检测手段,SERS技术对基底的粗糙度有着很高的要求,以阳极氧化铝为模板沉积得到的有序银纳米线阵列恰好能满足这一点。本文主要进行了如下研究工作：1.利用二步氧化法,改变氧化电压制备得到了具有不同孔径大小的阳极氧化铝模板。利用冷场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对其进行形貌表征,证明了其具有高度有序性,可以作为良好的沉积模板。其次对在不同氧化电压下制备得到的阳极氧化铝模板进行光学特性的探究,发现阳极氧化电压对紫外-可见吸收谱(UV)的谱峰有着较大的影响,随着氧化电压的增加,谱峰的峰位发生红移,本论文中对这一现象进行了深入的探究。2.对二步氧化法加以改进,在此基础上沉积银纳米线阵列,获得了一种新的银纳米线生长方式,为表面等离子体光子学和纳米光学的表面等离子体提供了良好的分析方法。改变沉积时间,得到了不同长度的银纳米线阵列。用冷场发射扫描电子显微镜对沉积有银纳米线阵列的氧化铝模板的正面和侧面进行形貌表征,并用紫外-可见分光光度计研究样品的光学特性,发现银纳米线阵列随着长度会发生红移,本章中分析了这种现象出现的原因,并用相关文献加以佐证,验证了实验的止确性。3.将制备得到的银纳米线阵列的辅助氧化铝膜完全溶解,释放出银纳米线。用扫描电子显微镜(SEM)测得了银纳米线阵列的整体长度,并拟合出了阵列的长度和沉积时间的线性关系,分析了该函数关系式的可行性。用透射电子显微镜(TEM)测量了释放出的银纳米线的长度,对其进行了数据统计,同时也拟合出了银纳米线长度和沉积时间的线性关系,将两个函数式放在一起进行比较,发现两个函数式保持了高度的一致性,说明我们获4.在用碱性溶液溶解氧化铝膜时,只溶解其中一部分,使其露出不同长度的银纳米线,形成经化学修饰过的银纳米线阵列。利用扫描电镜照片对其进行形貌表征的同时,将经化学修饰的银纳米线阵列和未沉积银纳米线的氧化铝模板分别作为增强基底,滴上相同浓度相同体积的探针分子对比出以经化学修饰过的银纳米线阵列作为增强基底时具有极大的增强效果,并与结晶紫固体的拉曼谱图进行对比,利用公式计算出了增强因子。除此之外,改变溶解溶解氧化铝膜的时间,得到裸露长度不同的银纳米线阵列,探究作为SERS基底不同的增强效果,并分析出了其中因银纳米线间距离不同而导致热点效应不同的原因。表明我们利用SERS获得了纳米线生长动力学过程的表面等离子体特性,并结合FDTD理论模拟,获得了一致的结论。
任鑫[10]2011年在《一维TiO_2与ZnO纳米阵列的设计、制备及性能研究》文中研究表明纳米有序阵列,尤其是在透明导电基底上制备的无支撑自立纳米棒与纳米管有序阵列可在多种器件上进行应用。当将纳米阵列用于光伏器件时,这些结构可以增加电荷生成层与电荷传递层之间的界面面积,提高提取电荷的效率。本论文选取TiO_2与ZnO两种目前研究最广泛的宽禁带金属氧化物半导体材料,通过不同技术手段制备了TiO_2与ZnO的纳米棒与纳米管阵列,研究探讨了这些纳米阵列在纳米器件领域,尤其是在有机-无机杂化太阳能电池器件领域的应用。在ITO玻璃表面磁控溅射Al层,然后阳极氧化可制得多孔阳极氧化铝(AAO)膜/ITO玻璃复合模板。为了避免阳极氧化过程中AAO膜的破裂和脱落,在溅射高纯Al前,添加了Ti和W层分别作为连接层和缓冲层。磁控溅射后,通过热处理消除了溅射层的内应力,改善了各溅射层之间的结合力。在阳极氧化过程中,当发展较快的孔洞到达Al层底部时,会氧化底部的W缓冲层,对孔洞的快速发展起到缓冲作用,从而延缓了AAO膜底部的破裂和脱层,使大面积纳米孔洞阵列得以生成。采用溶胶-凝胶电泳法在AAO/ITO复合模板内填充TiO_2纳米棒与纳米管有序阵列,电泳法制备的TiO_2纳米结构随TiO_2溶胶陈化时间的延长,由纳米棒逐渐转变为纳米管结构。研究发现,在AAO模板孔洞底部的环状W电极是形成不同结构的前提,而溶胶溶液中带电粒子的扩散速度和纳米阵列的沉积速度的竞争则是形成不同结构的原因。将制备的TiO_2纳米阵列与p型聚合物聚3-己基噻酚(P3HT)结合,制成TiO_2纳米阵列/P3HT无机-有机杂化太阳能电池。纳米棒和纳米管太阳能电池的光电转换效率分别是0.38%和0.48%。相比文献中类似方法制备的TiO_2纳米晶结构杂化太阳能电池0.22%的转换效率,本文中制备的TiO_2纳米棒与纳米管阵列太阳能电池效率提高了约73%到118%的效率,显示了纳米有序阵列结构的巨大优势。通过磁控溅射、热处理二步法在独立AAO模板上制备出TiO_2纳米阵列。AAO模板参数对TiO_2的纳米结构具有决定作用,200 nm的孔径导致纳米管结构的生成,80 nm孔径的双面开孔模板导致纳米棒结构的生成,而80 nm的单孔模板导致闭口纳米管的生成。XRD分析显示TiO_2纳米管阵列为多晶锐钛矿结构,光致发光(PL)谱分析发现制备的纳米管与纳米棒阵列都为间接带隙半导体,纳米棒中的氧空位缺陷多于纳米管结构。将TiO_2纳米管阵列层从AAO模板脱离,转移到ITO玻璃上,旋涂一层P3HT,组成TiO_2纳米管/P3HT杂化太阳能电池。研究发现,具有TiO_2结合层结构的TiO_2纳米管/P3HT杂化太阳能电池性能比无结合层的电池显着提高,光电转换效率提高了8倍,达到0.34%。而采用n型富勒烯衍生物PCBM与P3HT充分混合后,由于电子-空穴对的有效分离,短路电流密度提高了近5倍,达到9.98 mA cm-2;光电转换效率提高了近6倍,达到2.07%。利用电沉积、热处理二步法在AAO模板中制备出了ZnO纳米管阵列和Cu@ZnO纳米同轴电缆阵列。在光致发光测试中,Cu@ZnO纳米同轴电缆被激发出绿光发射带,说明在Cu@ZnO纳米同轴电缆界面处的ZnO被Cu掺杂。还将独立AAO模板上的ZnO纳米阵列合成技术转移到AAO/ITO复合模板,在ITO玻璃上制备出ZnO纳米棒与纳米管有序阵列,ZnO有序阵列的载流子密度约为2.67×1020 cm-3,在透明导电氧化物领域具有很好的应用前景。通过一步电沉积法在ITO导电玻璃上制得ZnO纳米棒阵列。在温度为55℃时,得到的是致密的ZnO膜,而在85℃时,得到的是ZnO纳米棒阵列,说明ZnO膜的形貌取决于沉积温度。用85℃电沉积得到的ZnO纳米棒阵列组装的ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Ag太阳能电池具有与ZnO纳米棒阵列共型形貌。对于未退火ZnO纳米棒阵列制备的太阳能电池,暴露在ZnO底部的主导缺陷区与共混聚合物直接接触,导致了严重的电流泄露。而通过退火消除ZnO底部暴露在外的缺陷,以及通过沉积更致密的ZnO纳米棒来阻止共混聚合物与主导缺陷区的接触都可以有效避免电流的泄露,从而进一步提高电池的开路电压。由于P3HT与PCBM的混合极其密切,它们的接触面积非常大,P3HT:PCBM混合物生成的光电流在总电流中占主导地位。通过ALD法在ZnO纳米棒表面覆盖一层TiO_2有效减少了电子和空穴的复合几率,进而提高了光电转换效率,电池的转换效率达到2.10%,高于无壳层的ZnO纳米棒阵列组装的太阳能电池。
参考文献：
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