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试述水溶液氧化锌微纳结构生长与其压电器件

收藏本文 2024-01-23 点赞:14409 浏览:59057 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:氧化锌(ZnO)是一种多功能宽带隙(3.37eV)Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体材料,室温下的激子束缚能高达60meV。ZnO还具有良好的热稳定性和生物兼容性,无毒无污染,是一种绿色环保型材料。由于ZnO具有独特的力、热、光、电性质,使得它在光学、电子学、光电子学等各领域都有着重要的运用。尤其是ZnO还具有半导体和压电的耦合特性,而这一点正是构造压电式纳米器件的基础。目前,许多基于一维ZnO微纳米结构的压电器件(比如:压电场效应晶体管、压电谐振器、压电应力传感器和纳米压电发电机等)纷纷地被研制出来,并且在微纳机电系统、生物医学医疗、微纳能源循环利用和自供电(self-powered)微纳系统等领域显示出了重要而广泛的运用前景,极大地推动了纳米科学技术的进展。本论文围绕着一维ZnO微纳米结构的可控生长,及其压电纳米发电机和压电应变传感器的设计和制备等有关不足,开展了一系列探讨工作,主要内容包括以下几个部分:(1)采取低温水溶液法在普通的纤维纸衬底上生长ZnO纳米棒,并对其进行了X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光致发光谱(PL)等的测试浅析。实验结果表明,生长的ZnO纳米棒具有六方纤锌矿结构的特点,分布均匀,且取向性较好。此外,浅析了低温水溶液法生长ZnO纳米棒的机理,并且通过转变和制约其生长条件(籽晶层、先驱溶液浓度、生长时间等)实现了纸衬底上ZnO纳米棒的可控性生长,为柔性压电器件的制备打下了良好的基础。(2)成功地研制出一种基于纸衬底的交流纳米发电机。这种发电机的核心部分是长有ZnO纳米棒的柔性纤维纸。通过不断地弯曲-恢复这种柔性发电器件,可产生交变的压电信号,其输出电压和电流分别为1O mV和1O nA。并且,通过转变应变率可以自由制约发电机的电输出方式。除此之外,该纳米发电机也可以作为一个自供电的振动传感器利用,不但可以收集周围环境中随时产生的振动能量,还可以对于生活中遇到的一些突发事件给予监测和报警。(3)为了提升纳米发电机的输出性能,采取两次水溶液生长法在聚酯纤维面料(TFs)基底上生长了ZnO纳米棒,并成功制备了基于TFs的新型交流纳米发电机。探讨结果表明,与采取一次水溶液法制备的纳米发电机相比,这种新型的纳米发电机的输出电压提升了约200倍。此外,我们还发现这种纳米发电机的输出信号,不受应变率和频率的影响,只与应变大小有关。随着应变的增加,输出电压也逐渐增加,最高达到7V左右,足够为我们日常的一些小型电子设备充电。(4)介绍了一种基于齿轮状ZnO微米线的新型压电应变传感器。利用CVD法制备出具有齿轮状的ZnO微米线(ZnO GMWs)。探讨结果表明,这种微米线的横截面为齿轮状,与通常的具有六边形横截面的ZnO微/纳米线大不相同。探讨表明,这种ZnOGMWs的合成主要是由于高温下相邻微米线之间的横向融合。此外,通过采取含铜5wt%的银浆作为ZnO微米线一端的电极接触,大大提升了这种新型器件的整流特性和工作性能。当偏压为±1V时,最高整流比可达105;在1.28%的应变下,应变灵敏度达1123,接近已报道的最好结果。关键词:氧化锌论文水溶液法论文压电器件论文纳米发电机论文

    摘要4-6

    Abstract6-12

    CONTENTS12-15

    图表目录15-20

    主要符号表20-21

    1 绪论21-41

    1.1 引言21-22

    1.2 压电效应22-24

    1.2.1 压电效应的概念22-23

    1.2.2 压电方程23-24

    1.3 第一代纳米发电机24-27

    1.3.1 压电纳米发电机概念的提出24-25

    1.3.2 纳米发电机的工作原理25-27

    1.4 纳米发电机的探讨近况27-36

    1.4.1 直流式压电纳米发电机27-30

    1.4.2 交流式压电纳米发电机30-32

    1.4.3 高输出的压电纳米发电机32-36

    1.5 其他压电电子器件36-39

    1.5.1 压电场效应晶体管、压电二极管36-38

    1.5.2 电应力传感器38-39

    1.6 论文的选题依据和探讨的主要内容39-41

    2 低温水溶液法生长ZnO纳米棒41-65

    2.1 引言41

    2.2 纳米ZnO材料介绍41-48

    2.2.1 ZnO的基本结构与性质42-44

    2.2.2 ZnO纳米结构的制备策略44-48

    2.3 实验48-49

    2.4 表征与结果浅析49-53

    2.4.1 晶体结构49-50

    2.4.2 表面形貌50-53

    2.4.3 光学特性53

    2.5 ZnO纳米棒的生长机理及其影响因素53-60

    2.5.1 ZnO纳米棒的生长机理53-54

    2.5.2 籽晶层对ZnO纳米棒的影响54-56

    2.5.3 先驱溶液浓度对ZnO纳米棒的影响56-58

    2.5.4 生长时间对ZnO纳米棒的影响58-60

    2.6 其他柔性衬底上生长ZnO纳米棒60-63

    2.6.1 实验历程60-61

    2.6.2 表面形貌浅析61-62

    2.6.3 晶体结构浅析62-63

    2.7 本章小结63-65

    3 基于纸衬底的压电纳米发电机探讨65-86

    3.1 引言65-66

    3.2 基于纸衬底的压电纳米发电机66-79

    3.2.1 实验历程66-67

    3.2.2 发电机的电学性质67-69

    3.2.3 发电机的发电性能69-72

    3.2.4 发电机输出性能的影响因素72-79

    3.3 振动驱动的压电纳米发电机79-82

    3.3.1 实验历程79-80

    3.3.2 振动驱动的纳米发电机的发电性能80-82

    3.4 收集环境中的振动能82-85

    3.4.1 实验历程83

    3.4.2 发电信号测试与浅析83-85

    3.5 本章小结85-86

    4 具有高电压输出的ZnO压电纳米发电机86-97

    4.1 引言86

    4.2 基于TFs衬底的ZnO纳米发电机制备86-87

    4.2.1 ZnO纳米棒生长86-87

    4.2.2 压电纳米发电机制备87

    4.2.3 表征手段87

    4.3 表征与结果浅析87-90

    4.3.1 表面形貌87-89

    4.3.2 晶体结构89

    4.3.3 光学特性89-90

    4.4 基于TFs衬底的ZnO纳米发电机的发电性能90-95

    4.4.1 发电机的输出信号90-92

    4.4.2 发电机输出性能提升的理由92-93

    4.4.3 发电机输出性能的影响因素93-95

    4.5 本章小结95-97

    5 基于齿轮状ZnO微米线的压电应变传感器97-116

    5.1 引言97-98

    5.2 齿轮状ZnO微米线的合成98-105

    5.2.1 实验历程98-99

    5.2.2 表征与结果浅析99-102

    5.2.3 生长机制102-105

    5.3 银浆与ZnO微米线接触特性探讨105-111

    5.3.1 样品制备105

    5.3.2 I-V特性测试与浅析105-110

    5.3.3 退火处理对接触特性的影响110-111

    5.4 压电应变传感器的制备与测试111-115

    5.4.1 器件制备111-112

    5.4.2 测量装置112-113

    5.4.3 器件应变传感特性113-115

    5.4.4 器件灵敏度115

    5.5 本章小结115-116

    6 结论与展望116-119

    6.1 本论文的主要探讨内容和结论116-117

    6.2 本论文的主要革新点117-118

    6.3 后续工作及展望118-119

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