一维金属氧化物纳米阵列的制备及其性质研究

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一维纳米材料具有形状上的各向异性,它们在某个方向上的生长速度远高于其他方向,从而在两个维度上的尺寸维持在纳米级别。因为其形貌不同于块体材料和其它纳米结构的形貌,因此在光、电、磁、力、热以及在化学方面表现出一些特殊的性质,这些性质使其在太阳能电池、催化剂、光电器件和传感器等方面具有广阔的应用前景。特别因其具有较大的长径比和有序的间隙,一维纳米材料作为太阳能电池的光阳极可以为电子的传输提供便捷的通道,从而可以提高电子的传输效率;并有利于电解质的填充和传输,以及促进染料的再生。因此,一维纳米材料是目前纳米材料中最热门的研究领域之一。本文采用水浴加热法和微波加热法制备了CuO纳米棒阵列,利用微波加热法制备了ZnO纳米线阵列,并分别研究了它们的微结构和光电特性。本研究主要内容包括:  ⑴采用水浴加热法制备了CuO纳米棒阵列。首先采用提拉法在FTO玻璃衬底上生长一层CuO纳米种子层,种子层对纳米棒的生长和形貌起着非常重要的作用。然后把长有种子层的衬底置于装有前驱液的烧杯里采用水浴锅加热。研究发现随着温度的升高CuO纳米棒的直径变小。通过紫外可见吸收谱测出温度较高时得到的CuO纳米棒具有较大的带隙。  ⑵采用连续滴加溶液微波加热法制备了整齐的CuO纳米棒阵列。X射线衍射显示纳米棒具有很好的结晶性,生长取向沿[020]方向。CuO纳米棒的长度随着加热时间的延长线性增加,生长率~544 nm/h。本文研究了微波对CuO生长的作用机理,因为CuO是极性金属氧化物,在电场作用下很容易被极化,所以在微波的电场下偶极相互作用使微波能量可以直接转化成CuO的能量,使得CuO纳米棒在短时间内可以长到几个微米。研究发现这些整齐的CuO纳米棒阵列在室温下呈现出较强的磁各向异性,磁各向异性的来源可能是CuO纳米棒的形状各向异性和表面未得到补偿的自旋引起的。  ⑶采用连续滴加溶液微波加热法制备了ZnO纳米线阵列。获得了一系列长度为3-17μm的ZnO纳米线阵列,纳米线的长度随着生长时间线性增加,将其用作染料敏化太阳能电池的光阳极时,发现随着纳米线长度的增加染料敏化太阳能电池的效率逐渐提高,这是由于长的纳米线拥有较大的表面积可以附载更多的染料,因此可以提高电池的效率。  ⑷采用连续滴加溶液微波加热法和脉冲激光沉积技术制备了ZnO@TiO2复合纳米阵列结构。首先采用微波加热法制备了垂直的ZnO纳米线阵列,然后采用脉冲激光沉积法在ZnO纳米线阵列表面沉积不同厚度的TiO2壳层。并研究了ZnO纳米线表面沉积不同厚度的TiO2层对染料敏化太阳能电池性能的影响,研究发现复合纳米结构的光电转换效率高于纯ZnO的,而且光电转化效率随着壳层厚度的增加而增加,这是由于TiO2壳层提供了较大的表面积,可以附载更多的染料从而提高了电池的效率。
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