仿生制備金屬氧化物微納分級結構及其性能研究.pdf

1、微納結構具有復雜的多級結構和較大的表面積，其網絡結構在組裝光電器件時可以有效增加入射光的吸收，同時納米結構可以有效提高光電分離效率，在光伏等光電器件領域受到了廣泛的關注。當前制備金屬氧化物微納結構的方法有很多，如溶液法、模板法、光刻法、溶膠-凝膠和靜電紡絲法等，但缺乏低成本、高質量、步驟簡單的制備方法。同時，大自然界中有很多天然的微納層次結構，如蝴蝶的翅膀、硅藻殼體、荷葉、蜘蛛絲、玫瑰花瓣等，這些奇異的結構賦予其特殊的表面及其他功能特性

2、。最近，江雷等人發現了“花瓣效應”，使得新鮮玫瑰花瓣表面的微納層次結構，及其超疏水和高粘附性的特性受到廣泛的研究。通過仿生制備類似玫瑰花瓣表面結構，是制備半導體氧化物微納結構制備的新方法：我們通過對天然花瓣表面結構的復制和轉移，即可得到可重復和穩定的微納層次結構。
　　在眾多半導體氧化物材料中，ZnO由于具有3.37ev的直接帶隙和60 meV的激子束縛能，使其成為制備光電器件最前途的明星材料。特別是基于ZnO納米結構制備高效的光

3、電探測和轉換器件，一直是納米光電子學的研究熱點。在本論文中，我們期待能夠將玫瑰表面的天然微納結構與 ZnO一維納米結構結合起來，通過簡單的復制轉移以及濕化學生長的方法，制備新型 ZnO微納結構，同時探索該微納結構的表面性質，通過簡單的電極構筑，組裝成初步的可測試器件，研究其微納結構與光電性質之間的關聯，期望構筑具有表面超疏水、自清潔，同時具有較高響應的光電功能材料。
　　基于上述思路，我們開展了以下三個方面的研究工作：
　　

4、一、玫瑰花瓣上ZnO納米結構的組裝：利用天然玫瑰花瓣作為模板，利用低溫水熱法在花瓣表面組裝ZnO納米結構，在玫瑰花瓣表面得到了結晶性良好的ZnO納米棒陣列。通過改變水熱生長時間得到了不同形貌和結構的玫瑰/ ZnO微納結構。研究發現ZnO納米結構的組裝和天然生物基底的失水現象使得原來玫瑰花瓣表面的超疏水和高粘附特性消失；光電性質測試表明，所組裝的玫瑰花瓣/ ZnO微納結構對紫外光具有明顯的光電響應。
　　二、玫瑰花瓣結構的復制以及柔

5、性基底上 ZnO/PDMS微納結構的制備：利用 PDMS固化后高質量的復制能力，通過多步復制的方法可以得到了玫瑰花瓣的負型及正型表面結構。具有玫瑰花瓣表面微納結構的PDMS薄膜，表現出高彈性和良好的透光性，同時具有玫瑰花瓣的特殊表面潤濕性質。在PDMS基底上磁控濺射ZnO種子層并后續水熱生長ZnO，通過調整生長條件，在PDMS微納結構上生長了具有不同形貌和結構的ZnO納米結構。在組裝ZnO納米結構后，具有玫瑰花瓣結構的ZnO/ PDMS

6、復合材料的表面超疏水性能有所增加，靜態接觸角達到164°，同時具有自清潔性能。我們簡單組裝測試器件，研究了ZnO/ PDMS微納層次結構的紫外光電響應性質，發現在紫外光照射下，ZnO/ PDMS組裝的器件具有1000倍左右的響應，可以在柔性透明的紫外光電探測器件中有所應用。
　　三、具有玫瑰花瓣結構的ZnO微納結構及SnO2/ZnO復合微納結構的制備與性質：以負型PDMS為模板，通過溶膠凝膠法和納米壓印技術，在硅片基底構筑具有類玫

7、瑰花瓣表面結構的ZnO薄膜，通過ZnO納米結構的生長，制備ZnO微納層次結構。同時在類玫瑰花瓣表面結構的SnO2薄膜上組裝ZnO納米結構，制備SnO2/ZnO復合微納層次結構。通過改變前驅體溶液的濃度和水熱生長時間，得到了不同形貌和結構的ZnO微納結構和SnO2/ZnO層次結構，然后利用化學修飾使該微納結構具有超疏水和自清潔性質。光電性質測試表明，復合微納結構的光響應都在103量級上，同時發現SnO2/ZnO微納層次結構有最短的響應時間