n型/p型In-Ga(Al)-Zn-O/Zn-Sb-O超晶格纳米颗粒的可控制备及性能研究

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n型InMO3(ZnO)n系氧化物是一种具有周期性层状结构透明导电半导体材料,兼具良好的可见光透过率和优异的导电率,在柔性触摸屏、平面液晶显示器、光探测器、光伏器件和发光二极管等光电领域有着极其广泛和重要的应用。特别是在近期柔性电子显示和3D半导体打印等领域快速发展的背景下,低维超晶格纳米材料制备工艺及性能研究引起了业内高度重视。而针对p-n结中p型超晶格纳米材料的研究几乎是空白状态,其相应的制备工艺和表征的探索具有重要意义。本论文以反应扩散方法合成的n型/p型In-Ga(Al)-Zn-O/Zn-Sb-O超晶格纳米颗粒为研究对象,针对高纯、可控制备、精细表征以及气敏/电学性能等方面进行相应的研究:(1)在ZnO纳米颗粒表面涂覆一层In-Ga(Al)-Zn-O/Zn-Sb-O前驱体,经过退火处理合成In-Ga(Al)-Zn-O/Zn-Sb-O超晶格纳米颗粒。利用多种先进表征技术对超晶格纳米颗粒的微观结构和物理性质进行精细表征。(2)根据X射线衍射和透射电子显微镜结果可知,通过筛选前驱体浓度、退火时间、ZnO纳米颗粒的含量可实现In-Ga(Al)-Zn-O(也表达为InGaO3(ZnO)n和In Al O3(ZnO)n)超晶格纳米颗粒n值的可控合成。随着n值的减小(超晶格结构增多),紫外漫反射结果显示In-Ga-Zn-O超晶格纳米颗粒的带隙先减小后增大。红外测试发现In-Al-Zn-O超晶格纳米颗粒出现710 cm-1的新峰位。(3)对基于In-Ga(Al)-Zn-O超晶格纳米颗粒制作的传感器进行气敏测试,发现不同n值的超晶格纳米颗粒传感器对H2S有极好的选择性,最佳工作温度为400℃,传感器的响应度随着ZnO含量(n值)的减小逐渐增加。n值最小的超晶格纳米颗粒传感器对H2S的最低检测浓度均达到1 ppb,响应/恢复时间较快且具有良好的重复性与稳定性。(4)通过X射线衍射和透射电子显微镜可观察到,900℃退火5 min所得产物为Zn-Sb-O超晶格纳米颗粒。X射线光电子能谱结果显示Sb存在且Sb离子的价态偏向于5+。通过红外光谱测试发现Zn-Sb-O超晶格纳米颗粒中出现631cm-1处的新峰。拉曼测试发现Zn-Sb-O超晶格纳米颗粒出现三个新的振动峰,分别位于579、674和705 cm-1。(5)对基于Zn-Sb-O超晶格纳米颗粒制作的器件进行I-V曲线测试,发现Zn-Sb-O纳米颗粒为p型导电。
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