ZnO是一种重要的宽禁带(常温下为3.37 eV)[3]低介电常数的直接带隙半导体材料，室温激子束缚能为60 meV，应用十分广泛。ZnO制备方法有液相沉积法，水热法，溶胶-凝胶法等，本文采用电沉积法直接在无晶种的FTO玻璃上制备的ZnO纳米棒阵列。
1.实验部分：
第一步：配制反应溶液20 mL（0.1 mol•L-1 KCl和10-2 mol•L-1 ZnCl2），然后均匀地向混合溶液中通入10 min氧气。使用锌片为对电极，FTO为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用恒电流模式沉积30 min，沉积电流为10-5 A。
第二步：改变ZnCl2溶液的浓度，分别为7×10-4 mol/L，5×10-4 mol/L，KCl浓度保持不变，进行对照试验。反应开始之前均匀地向混合溶液中通入10 min氧气，并在反应过程中持续通入氧气；使用锌片为对电极，经过第一步反应的FTO为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，采用恒电压模式沉积3 h，沉积电压为-1.2 V。
2.结果与讨论：
图1 ZnO阵列与FTO导电玻璃的XRD谱图
图1为样品的XRD谱图，经过与PDF标准卡片对比发现，制备的ZnO样品对应的PDF卡片号为65-3411，为六方结构。(002)峰强度较大，说明ZnO纳米棒沿(002)晶向取向明显。
图2 不同浓度ZnCl2溶液制备ZnO纳米棒阵列SEM照片
图2 (a)是在9×10-4 mol/L的ZnCl2溶液中制备的ZnO纳米棒的SEM图片，图中纳米棒的直径为500 nm左右，纳米棒直径均匀一致；图2 (b)是在7×10-4 mol/L的ZnCl2溶液中制备的ZnO纳米棒的SEM图片，图中纳米棒的直径为200 nm左右，纳米棒直径不如图2(a)均匀，较为凌乱不一；图2(c)是在5×10-4 mol/L的ZnCl2溶液中制备的ZnO纳米棒的SEM图片，图中纳米棒的直径为100 nm左右。
对比得出，Zn2+的浓度是影响ZnO纳米棒直径的一个主要因素，控制Zn2+的浓度可以改变ZnO纳米棒的直径。
将制备的样品进行光电性能测试，太阳光模拟器功率分别为80 W和120 W，光照面积为1 cm2。阵列的时间-电流响应的结果显示：在开灯且功率为80 W的条件下出现明显的响应电流，约为7×10-6 Acm-2，关灯之后电流消失，表现出了较好的响应性能；提高光照的功率为120 W，响应电流约为1.1×10-6 Acm-2，依然表现出较好的光响应性能，表明制备的ZnO 纳米棒阵列是一种较好的太阳能电池材料。
3结论：
本文采用电化学沉积法制备了ZnO纳米棒阵列。实验发现ZnCl溶液的浓度将影响ZnO纳米棒的直径。ZnO纳米棒的直径随着ZnCl溶液浓度的减小而减小，选择合适的浓度是制备ZnO纳米棒阵列的关键。光电性能测试表明ZnO纳米棒阵列作为一种半导体材料，对光照敏感。响应电流的强度随光照强度的增大而增大，是一种较理想的制备太阳能电池的材料。
参考文献
[1] J K Tang, G K Wang, P Yu, et al. Room-temperature ultraviolet laser emission from self-assembled ZnO microcrystallite thin films[J]. Appl Phys lett, 1998, 72: 3270.
[2] H Cao, Y G Zhao, S T Ho, et al. Random Laser Action in Semiconductor Powder[J]. Phys Rev Lett, 1999, 82: 2278–2281.
[3] C.Klingshirn. Phys. The Luminescence of ZnO under High One- and Two-Quantum Excitation[J]. Physica Status Solidi (b), 1975, 71: 547-556.
论文作者:骆光恒
论文发表刊物:《科技新时代》2018年3期
论文发表时间:2018/6/6
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