毕业论文课题相关文献综述

文 献 综 述

ZnO是一种重要的直接能隙宽禁带半导体，其结构为六角形纤锌矿结构，室温带隙能为3.37eV，激子束缚能高达60meV^[1,2]。纳米级ZnO在紫外波段具有强的自由激子跃迁发光，且原材料资源丰富，价格低廉，无污染无毒害，适合于薄膜的外延生长 ，在信息光电领域具有广泛的应用，所以有望替代GaN成为新一代发光材料。由于ZnO纳米结构薄膜具有独特的压电现象、高的电导率、光催化作用及散射和吸收紫外线的能力等性质而使其在光子器件、表面声波器件、气体传感器和太阳能电池等领域有着巨大的潜在应用前景。在柔性有机衬底上生长的ZnO薄膜还具有重量轻、可绕曲、易于大面积生产、不易破碎及便于运输等独特的优点，在制造智能卡片、平面显示器和柔性衬底太阳能电池等领域将具有更现实的应用前景^[3]。目前用于制备ZnO薄膜的技术包括电化学沉积^[4]、磁控溅射^[5]、喷雾热分解^[6]、分子束外延、脉冲激光沉积^[7]、有机金属化学气相沉积^[8]及溶胶-凝胶技术（Sol-gel）^[9,10]等。其中采用溶胶-凝胶技术制备ZnO薄膜不但具有工艺简单、成本低、能大面积成膜等优点，而且能在纳米尺度控制薄膜厚度，因此可以通过控制微粒尺寸得到一些特殊性质，并且与所制备的ZnO薄膜能和衬底溶为一体^[11]。

ZnO等材料的附着和晶化的温度高于300℃，而一般的有机衬底在130℃左右即开始变形，因此选择合适的有机薄膜衬底和适当的制备工艺尤为关键。本实验采用的薄膜材料为聚酰亚胺（PI），它是指主链上含有酰亚胺环的一类聚合物（图），包括脂肪族聚酰亚胺及芳香族聚酰亚胺两大类，其中以含有环状酰亚胺结构的聚合物最为重要。直链聚酰亚胺不仅合成困难也不具备实用性，相比之下具有环状结构的聚酰亚胺，特别是五元环状聚酰亚胺，品种非常之多，且实用性很强。因此，一般提到的聚酰亚胺是指环状聚酰亚胺，它是一类含氮的杂环聚合物。聚酰亚胺因具有高模量、高强度、耐辐照和优异绝缘性及耐热氧化稳定性等优点，被广泛的应用于宇航、电气绝缘、微电子工业中，作为一种高性能的特种工程塑料薄膜，在较宽的温度范围内具有稳定而优良的物理性能化学性能和电性能，尤其具有高的热稳定性和玻璃化转变温度，能在-269~400℃温度范围内使用，因此作为挠性覆铜箔（FCCL）的基材被广泛应用于挠性印制电路板（FPC）中。Lee^[12]等在PI薄膜上用磁控溅射法制备了ZnO薄膜，并考察了不同的衬底温度对ZnO薄膜的影响，但是用溶胶-凝胶等溶液化学方法在PI上制备ZnO薄膜的研究尚属首次。

直链状聚酰亚胺 环状聚酰亚胺

图 聚酰亚胺结构

本课题采用溶胶-凝胶技术在聚酰亚胺薄膜衬底上制备ZnO薄膜，并利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段表征薄膜性能，通过单向拉伸实验测试ZnO薄膜在衬底上的附着程度。然后在此基础上用水热法制备了ZnO纳米棒阵列。需要注意的是，为了增强基材界面之间的粘接性，在不改变PI薄膜整体性能的前提下有必要对其表面进行改性，以提高表面润湿性和粘接性能^[13]。PI薄膜表面处理的手段主要有酸碱处理、等离子处理、表面接枝和离子注入等方法。酸碱表面处理法是PI薄膜表面改性的常用方法之一。PI薄膜不耐强碱，在强碱的作用下PI薄膜表面的酰亚胺基团水解成聚酰胺酸和聚酰胺酸的金属盐，因此碱能在很短的时间内使PI薄膜表面的结构和形态产生变化，使得PI薄膜的表面能增大、润湿性提高，提高薄膜粘附力。一般采用碱液有：氢氧化钠、氢氧化钾、高锰酸钾、有机胺溶液及其混合物等。

由均匀分布且垂直于基片的一维纳米材料组成的纳米结构称为纳米阵列，氧化锌纳米棒阵列是一种重要的一维的氧化锌纳米结构，与零维纳米结构氧化锌（纳米球）相比，由于其奇特的光学、磁学、谱学等理化性能，在很多领域具有广阔的应用前景。作为一种有序的纳米结构，纳米阵列不仅仅体现了纳米结构单元的集体效应，同时也能反映单一纳米结构或单元所不具备的协同效应、耦合效应等。更为重要的是，人们可以通过对纳米阵列结构的形貌、尺度、分布、晶体结构等的控制来实现对其性能的调节。

在纳米材料的体系中，一维ZnO纳米材料由于其在光学、电运输、压电、光电、场发射、光催化吸波等方便表现出的优异性能在传感、光学、电子、场发射、压电光催化等领域显示出了良好的应用前景无疑是目前纳米材料研究领域最重要的研究对象之一。在本实验制备的3层结构中ZnO薄膜在作为ZnO纳米棒生长的缓冲层的同时还可以代替ITO薄膜在后续进一步组装纳米器件时作为平面电极使用，在ZnO薄膜等衬底上直接生长ZnO纳米棒阵列能为载流子提供连续的通路，能为后续组装各种纳米器件提供便利。

光致发光是指物体依赖外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导至发光的现象。它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段，光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。而能量传递则是由于激发态的运动。紫外辐射、可见光及红外辐射均可引起光致发光。对聚酰亚胺衬底的ZnO薄膜的光致发光光谱的研究可以获悉其内部结构、成分及环境原子排列等信息，是一种非破坏性的、灵敏度高的分析方法。