ZnO和Mg(OH)_2薄膜的电沉积制备、表征及沉积机理研究

【摘要】摘要：纤锌矿结构ZnO薄膜由于具有宽的直接带隙、高激子结合能和压电等性质,在光学、电子和能源领域用途广泛。Mg(OH)2薄膜的高透过率和高电阻率等特性使其在光学器件等方面有着广阔的应用前景。具备低成本、高可控性和适合大面积生产等优点的电沉积法已成为制备高质量薄膜和纳米结构材料的有效方法。当前,ZnO和Mg(OH)2薄膜的电沉积制备中,若干涉及体系电化学行为、薄膜生长机理及微观结构的重要问题尚不明晰,亟待深入研究。本文借鉴前人相关研究方法和成果,并结合电化学、晶体学、表面科学等领域的相关理论和方法,对ZnO和Mg(OH)2薄膜的电沉积制备与表征等相关问题进行了研究。主要研究内容及结果如下：(1)考察了Sn02电极在Zn(NO3)2水溶液中的电化学行为,发现溶液温度、Zn2+浓度、初始溶液pH值对体系电化学行为有显著影响,并确定了相关动力学参数。以Sn02电极为基底,在Zn(NO3)2溶液体系进行了ZnO的电沉积制备,发现溶液温度、沉积电势、Zn2+浓度对所制备ZnO薄膜结构有显著影响。在较小阴极电势下生成的颗粒状ZnO的长径比为0.5左右,HRTEM和SAED均表明ZnO为六方相单晶结构；而在较大的阴极电势下发生剧烈析氢反应,导致多孔ZnO薄膜的生成。(2)研究了低温下进行ZnO电沉积时的钝化现象及其发生机理,发现导致钝化的主要原因是电极表面的OH-浓度不足,而非相关文献中所报道的温度过低。以界面pH值为核心参数,基于半导体氧化物电极／电解液界面的物理化学特性及PZC相关理论,建立了原子尺度的生长模型,并提出了钝化机理。根据此机理,钝化现象只能在界面pH值介于6.6到9.3之间的情况下发生,从微观上看,界面pH值的不足导致生成大量-Zn-O-H结构,从宏观上看,则是生成了ZnOx(OH)y或非晶态的Zn(OH)2。(3)采用恒电势沉积法制备了多孔Mg(OH)2薄膜,并系统表征了薄膜的形貌、物相、光学性质及分子结构。通过电子选区衍射(SAED)观测了初始薄膜及其原位脱水反应过程,发现并确认了电沉积制备出的多孔Mg(OH)2薄膜中包含(011)单晶纳米薄片。构造了12×12×2超晶胞,发现薄膜中的纳米薄片对应二面角为120。的{011)晶面族,即多孔Mg(OH)2薄膜的生长面为{011}晶面族。揭示了薄膜生长机制的四个过程：水化、形核、单晶纳米薄片交错生长并连接,以及最终形成连续的多孔结构薄膜。(4)从晶体结构、表面能及离子水化的角度探讨了不同条件下生成的不同形貌Mg(OH)2薄膜的机理,发现调整OH-浓度将改变溶剂化分子的稳定态及相应反应途径,从而最终影响产物的形态。在OH-/Mg2+浓度比较高时,Mg的最稳定水化分子为[Mg(OH)2(H2O)4],进而形成了[Mg(OH)6]4-结构,Mg的配位数为6,最终生成以(001)晶面为择优取向的致密薄膜；而在OH-/Mg2+浓度比较低时,镁的最稳定水化分子为[Mg(H2O)6]2+,形成[Mg(OH)4(H2O)2]2-,Mg的配位数为4,最终形成以(011)晶面为择优取向的多孔薄膜。
【作者】吕莹；
【导师】刘业翔；赖延清；
【作者基本信息】中南大学，冶金工程，2013，博士
【关键词】电沉积；znO；Mg（OH）2；薄膜；

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