电化学沉积法制备ZnO纳米棒阵列

电化学沉积法制备ZnO纳米棒阵列

骆光恒

1997年，日本和香港的科学家在室温条件下实现了光泵浦ZnO薄膜紫外激光[1]，引起科学界的震动。1999年美国西北大学曹慧等人在ZnO多晶粉末薄膜上获得了自形成谐振腔室温随机紫外激光[2]，使得ZnO材料成为光电领域研究的热门课题之一。

ZnO是一种重要的宽禁带(常温下为3.37eV)[3]低介电常数的直接带隙半导体材料，室温激子束缚能为60meV，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20mL（0.1mol•L-1KCl和10-2mol•L-1ZnCl2），然后均匀地向混合溶液中通入10min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30min，沉积电流为10-5A。

第二步：改变ZnCl2溶液的浓度，分别为7×10-4mol/L，5×10-4mol/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10min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3h，沉积电压为-1.2V。

2.结果与讨论：

图1ZnO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9×10-4mol/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500nm左右，纳米棒直径均匀一致；图2(b)是在7×10-4mol/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200nm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5×10-4mol/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100nm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80W和120W，光照面积为1cm2。阵列的时间-电流响应的结果显示：在开灯且功率为80W的条件下出现明显的响应电流，约为7×10-6Acm-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120W，响应电流约为1.1×10-6Acm-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]JKTang,GKWang,PYu,etal.Room-temperatureultravioletlaseremissionfromself-assembledZnOmicrocrystallitethinfilms[J].ApplPhyslett,1998,72:3270.

[2]HCao,YGZhao,STHo,etal.RandomLaserActioninSemiconductorPowder[J].PhysRevLett,1999,82:2278–2281.

[3]C.Klingshirn.Phys.TheLuminescenceofZnOunderHighOne-andTwo-QuantumExcitation[J].PhysicaStatusSolidi(b),1975,71:547-556.