【《溶胶-凝胶法制备Al掺杂ZnO薄膜的方法分析》2100字】

溶胶-凝胶法制备Al掺杂ZnO薄膜的方法分析溅射法、液滴铸造法、溶胶-凝胶法、化学镀液法、喷雾热解法等技术已被用于制备ZnO薄膜。在这些制备技术中，溶胶-凝胶法是大规模合成薄膜的最通用和最具优势的技术之一[7]，可以轻松地控制膜的厚度和均匀性。与其他沉积技术相比，该技术具有成本低、可控、简单、易于大面积应用、均匀性好、结晶温度低等显著优点[11]。顾名思义，溶胶-凝胶法便是将胶体溶液“溶胶”形成固体“凝胶”。Muhammad等人[7]在制备纯ZnO和Al掺杂ZnO薄膜时分别采用了[Zn(CH3COO)2.2H2O]和[AlCl3.6H2O]作为Zn和Al的原材料，将乙醇为溶剂，二乙醇胺(DEA)为稳定剂，将[Zn(CH3OO)2.2H2O]溶解来作前驱体溶液。在乙醇中溶解适量的[Zn(CH3COO)2.2H2O]和[AlCl3.6H2O]，用磁搅拌器搅拌，然后在保持前驱体和稳定剂摩尔比为1:1、水解比为5.55×10-11时用稳定剂和水进行水解，最后将溶液在室温下搅拌得到清晰且均匀的溶胶。通过调整在乙醇中溶解的[AlCl3.6H2O]的量，分别制备了Al浓度为0wt%、2wt%和6wt%的薄膜溶胶。将前驱体溶液通过浸涂技术沉积在清洁的玻璃基板上，得到的浸涂薄膜在室温下干燥。便能得到纯ZnO薄膜和不同浓度的Al掺杂ZnO薄膜。对溶胶-凝胶法合成的纯ZnO和掺杂Al的ZnO薄膜进行X射线衍射的XRD图如图2-1所示。各种峰的存在表明薄膜具有多晶性质。Al离子的掺杂为薄膜引入了晶格缺陷，导致ZnO薄膜结晶度降低，衍射峰的强度也随之降低。观察图2-1还可以看到随着Al浓度的增加，衍射峰向较低角度移动。这表明Al掺杂ZnO薄膜的晶格参数小于纯ZnO薄膜（表2-1），是因为掺杂引入了比Zn2+的离子半径（0.074nm）小的Al3+（0.053nm）。另外，Al3+离子的掺杂使择优取向从（100）面变为（002）面，峰宽强度降低。与纯ZnO薄膜相比，Al掺杂ZnO薄膜的晶粒尺寸更小。晶粒尺寸的计算如下式：D=0.9λβcosθ (STYLEREF1\s2.SEQ(\*ARABIC\s11)式中λ为X射线的波长，θ布拉格衍射角，β是在XRD峰的半峰宽（FWHM）下测得的衍射线的展宽。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11对薄膜进行X射线衍射的XRD图表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11掺杂氧化锌薄膜的结构参数样品A（Å）C（Å）ε（dyne/cm2）D（nm）纯ZnO3.265.204×10919.92wt%掺杂ZnO3.205.1735×10915.26wt%掺杂ZnO3.175.1273×1099.0图2-2为场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）研究的Al掺杂对ZnO薄膜表面形貌的影响及相对应的粒径分布直方图。观察到对于纯ZnO薄膜，纳米颗粒的大小在10-70nm的范围内变化；加入Al后，颗粒尺寸减小，尺寸分布在15～30nm范围内变化，变得更加均匀，晶粒尺寸变小与XRD谱图得出的结论一致。从图中也可以看到ZnO薄膜中晶粒尺寸和晶格应变随Al掺杂量的变化。掺杂使Al的加入降低了Zn在薄膜中的比例，降低了ZnO的扩散率，抑制了晶粒的生长，因此ZnO薄膜的晶粒尺寸随着Al3+含量的增加而减小。此外，Al离子在晶界处提供了一种缓速力，进一步阻碍了ZnO的生长，减小了晶粒尺寸。因此薄膜的表面积增加，有助于提高光催化活性。从表2-1可以看出，纯ZnO的晶格参数a与锌矿粉（3.2498Å）不同。这表明掺杂的薄膜中存在晶格缺陷，导致晶格应变。随着Al离子的引入，晶格缺陷增加，晶格应变进一步增大。图2-3为采用紫外可见分光光度计在200～1000nm波长范围内测量的薄膜样品的透射光谱。图2-3（a）为掺杂后薄膜的光学透射率随波长的变化；图2-3（b）为沉积膜的带隙变化(αhν)2与不同浓度Al的光子能量（hν)的比值。从图中可以看到纯ZnO薄膜的最大透光率约为81%，对于纯ZnO薄膜而言，相对较高的透光率值可能是因为薄膜的高度结晶性质；而随着掺杂Al3+含量的增加，薄膜的透光率降低了。结构性能分析表明，随着Al3+的加入，薄膜的结晶度降低，这可能是ZnO薄膜的透光率随掺杂Al含量增加而降低的原因。另外，通过SEM分析发现了Al掺杂使晶粒尺寸减小，这一点增加了晶界的密度，也可能导致光散射率的增加和透射率的降低。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12Al掺杂ZnO薄膜表面形貌和对应的粒径分布直方图图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13纯ZnO薄膜和掺杂ZnO薄膜的透射光谱用四点共线探针法研究了薄膜的电学性质。电阻率ρ用公式2.2计算了薄膜的厚度：ρ=2πsVI (STYLEREF1\s2.SEQ(\*ARABIC\s12)式中，V表示内部探针之间的电位差（单位：伏特），I为通过外部探针的电流（单位：安培），S是探针之间的间距（单位：米）[8]。研究者们在前面的研究中证明了掺杂会影响薄膜的电阻率，因此对纯ZnO薄膜和随掺杂Al3+浓度变化的掺杂ZnO薄膜的电阻率进行了测量，结果如图2-4所示。纯ZnO薄膜具有较高的电阻率，而掺杂ZnO薄膜的电阻率则会随着晶格中Al掺杂浓度的增加而降低。出现这种现象的原因可能是（a）掺杂的Al3+取代了Zn2+或（b）Al离子掺杂在薄膜的间隙位置，这两种情况都会使载流子密度增加，薄膜电阻率降低。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s14电阻率随掺杂Al3+浓度的变化为研究纯ZnO薄膜和Al掺杂ZnO薄膜的光催化活性，利用亚甲基蓝（MB）在紫外（UV）辐照下的崩解反应做了测试。图2-5记录了在不同辐照时间下纯ZnO薄膜和Al掺杂ZnO薄膜对MB染料溶液吸收强度的变化。从图中可以观察到随着辐照时间的延长，吸收峰强度逐渐减小，这是因为MB溶液中有催化剂纯ZnO薄膜和Al掺杂ZnO薄膜的存在。而与纯ZnO薄膜相比，掺杂ZnO薄膜的峰值下降的更快。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s15不同辐照时间下掺杂ZnO薄膜在对亚甲基蓝溶液的吸收光谱综上，利用溶胶-凝胶法制备的Al掺杂ZnO薄膜的多晶性质可以通过X射线衍射技术确认，衍射峰随掺杂Al浓度的增加向低角度偏移。利用场发射扫描电子显微镜观察到随着Al离子含量的增加，ZnO薄膜的晶格缺陷增加、晶粒尺寸单调