金字塔形氧化锌纳米阵列的调控制备及敏感性质研究

氧化锌作为重要的半导体功能材料，具有极好的热稳定性和独特的力、光、电性质，对氧化锌材料及器件的研究已经并将持续成为全球关注的热点。利用纳米阵列结构制备功能纳米器件是今后氧化锌纳米材料研究的趋势。本项目拟制备一种金字塔形氧化锌纳米阵列，其对光的反射率<2.5%,呈深黑色，称为黑氧化锌。采用氯离子溶液刻蚀，在锌箔上原位调控生长金字塔形氧化锌纳米阵列，并研究界面反应的调控因素和合成机理。研究金字塔形氧化锌纳米阵列中塔的尺寸、纵横比和阵列密度变化对光吸收和导电性质的影响，并通过理论模拟计算这些因素与折射率梯度的关系。以金字塔形黑氧化锌阵列为基础，制备光敏、气敏、焦电传感等器件原型，并对其相应的性能进行初探。该项研究具有自主知识产权，其研究成果将对基于氧化锌纳米阵列的功能器件的构建和实际应用方面提供很好的实践基础。同时利用黑氧化锌作为模版，可以实现其他金属和氧化物金字塔阵列结构的制备。

氧化锌作为重要的宽带隙半导体，在光电器件和染料敏化太阳能电池方面有着重要的应用前景。本项目从表面微结构出发，构建减少对太阳光的反射的纳米阵列结构。主要开展了（1）通过溶液腐蚀法在锌片上原位生长出金字塔氧化锌纳米阵列，获得最低反射率<2.5%，并证明了其低反射率归因于由金字塔形状引起梯度变化的折射率。（2）在不同衬底上生长氧化锌纳米阵列抗反层，研究其反射率。主要包括FTO透明衬底上制备ZnO纳米线阵列，并将ZnO纳米线阵列端头用激光处理成空心球形，用ZnO纳米线搭建的金字塔形阵列，其反射率分别为<15%, <50%, <5%。证明金字塔形具有更好的抗反射能力。在氮化镓衬底上生长ZnO纳米管阵列，通过纳米管对光很高的捕获能力降低其反射率，并在纳米管阵列基础上生长纳米线搭建的金字塔阵列，其反射率进一步降低为<3%。（3）对金字塔形氧化锌纳米阵列和纳米线阵列的焦电性质做了研究。发现在200W钨灯交替照射下，金字塔形氧化锌纳米阵列的电流可以发生2个数量级的变化，远大于氧化锌纳米线阵列的电流变化，金字塔形纳米阵列由于可以产生较大的偶极矩的变化和具有很好的散热性能，使其在交替的热辐照下产生比纳米线阵列更大的焦电电流。（4）对ZnO纳米阵列的光电效应研究。采用染料对ZnO进行敏化，使其能够吸收大部分太阳光，加上其结构的抗反射作用，有效地利用太阳光，提高光电转换。研究发现氧化锌纳米线阵列作为染料敏化太阳能电池的光阳极其光电转换效率并不高，原因之一就是填充因子太低，通过TiO2包覆纳米线使其电池的填充因子从0.38提高到0.71。采用激光表面处理将纳米线阵列端头转变为空心球的阵列，并用作光阳极，太阳光是透过导电玻璃衬底从氧化锌的根部入射，再通过顶部的球体将太阳光反射回来，增大了纳米线表面的染料吸收太阳光的几率，获得光电流从1.73mA增大到2.6mA。利用亚微米尺寸的多孔纳米团聚球制备薄膜，成功地将ZnO太阳能电池的效率提高到5%左右。对多孔纳米团聚球太阳能电池的时间稳定性作了长达半年的考察，发现光电流除了第一周时间有<10%的衰减外，以后都能表现出稳定的工作状态。（5）基于金字塔氧化锌纳米阵列的改性。基于金字塔形氧化锌纳米阵列进行Fe, Ni, Mn, Cu的掺杂，发现适量的掺杂，金字塔形可以被改变为纳米棒阵列或是塔尖被削平，杂质能级导致光致发光发生改变，氧化锌变成了稀磁半导体。