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研究生： 葉佳靈
論文名稱： 氧化鋅奈米柱與奈米管之製備及其應用研究
指導教授： 胡淑芬
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 光電工程研究所
Graduate Institute of Electro-Optical Engineering
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 83
中文關鍵詞： 氧化鋅 、硒化鎘
論文種類： 學術論文
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    • 隨著工業發展，人們對石油之需求與日俱增，但石油終將耗竭，並造成嚴重汙染，故近年世界各地均大力提倡綠色環保，紛紛投入綠色能源之開發，其中以水裂解(water splitting)產氫為目前最熱門之議題，因此須開發新穎之水裂解工作電極，以提高其光電轉換效率，而本研究利用水熱法(hydrothermal method)於矽晶圓與摻氟之二氧化錫基板上成長高均向性之一維氧化鋅(zinc oxide)奈米柱與奈米管做為工作電極，並將其應用於水裂解技術。
    本研究以硝酸鋅(zinc nitrate)與四氮六甲環(hexamethylenetetramine)混和溶液，固定其反應溫度，並調控不同之晶種溶劑、溶液濃度、反應時間、基材等反應條件，成功將氧化鋅奈米柱蝕刻為氧化鋅奈米管，並探討其成長機制。以場發射掃描式電子顯微鏡(field emission scanning electron microscopy；FESEM)與X光繞射儀(X-ray diffraction；XRD)分別鑑定氧化鋅之表面形貌與晶體結構，於不同溶液濃度與成長時間下所製備出之氧化鋅奈米柱陣列具不同之長寬比(aspect ratio)與成長密度。於水裂解法方面，將已完成成長氧化鋅奈米柱與奈米管之基板與硒化鎘量子點結合，利用硒化鎘量子點吸收可見光之特性，成功將可見光轉換為電子電洞對，利用氧化鋅作為工作電極，將電子電洞對分離，使其不易再結合。於循環伏安量測方面，當偏壓於0時，以氧化鋅奈米管為工作電極，其可測得之光電流為1.45 mA/cm2，而以奈米柱之光電流為1.12 mA/cm2，本研究成功利用具較大之比表面積之奈米管組裝水裂解元件，以提高光電流。

    目錄 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2氧化鋅簡介 3 1-3文獻回顧與工作原理 4 1-3-1 配製氧化鋅奈米柱之原理與方法 4 1-3-2 光觸媒水裂解法之回顧與原理 12 1-4 研究動機與目的 17 2-1 化學藥品 18 2-2 氧化鋅晶種層 21 2-2-1氧化鋅晶種層之配製 21 2-2-2 實驗流程圖 22 2-3 氧化鋅奈米柱 23 2-3-1 氧化鋅奈米柱之成長 23 2-3-2 實驗流程圖 24 2-4 氧化鋅奈米管 25 2-4-1 氧化鋅奈米管之成長 25 2-4-2 實驗流程圖 26 2-5 硒化鎘量子點 27 2-5-1 硒化鎘量子點之配製 27 2-5-2 實驗流程圖 28 2-5-3 硒化鎘量子點之改質 29 2-5-4 實驗流程圖 30 2-6 氧化鋅與硒化鎘量子點複合材料之配製 31 2-7 電解液之配製 31 2-8 元件封裝 31 2-9 分析設備與方法 32 2-9-1 X光繞射分析 (X-ray Diffraction, XRD) 32 2-9-2 掃瞄式電子顯微鏡 (Field Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM ) 35 2-9-3紫外光/可見光吸收光譜儀(Ultraviolet/visible absorption spectrometer；UV/vis ) 37 2-9-4 光電轉換效率測定系統(IPCE measurement) 40 2-9-5 太陽光模擬器 40 2-9-6 定電位/定電流儀(Potentiostat/Galvanostat) 40 第三章 結果與討論 42 3-1 氧化鋅晶種層之配製 42 3-1-1 晶種成長之溶劑效應 42 3-1-2成長機制 45 3-2 成長氧化鋅奈米柱與奈米管 47 3-2-1 成長溶液之濃度 47 3-2-2 不同成長時間下之氧化鋅奈米柱之形態分析 55 3-2-3 成長之反應機制 59 3-3 吸收光譜分析 62 3-3-1 硒化鎘量子點之紫外可見光吸收光譜分析 62 3-3-2 粒徑大小估算 62 3-3-3 硒化鎘量子點改質之紫外可見光吸收光譜分析 65 3-3-4 氧化鋅吸附硒化鎘量子點之紫外可見光吸收光譜分析 69 3-3-5 氧化鋅吸附硒化鎘量子點之高解析穿透式電子顯微鏡分析 70 3-4 氧化鋅摻雜硒化鎘之光觸媒 73 3-4-1 水裂解法產氫之原理 73 3-4-2 電流-電壓特性分析(Current-Voltage) 76 3-4-3 氧化鋅結合不同之硒化鎘量子點濃度 78 第四章 結論 81 參考文獻 83 圖目錄 圖1-1 氧化鋅結晶沿[001]面之成長特性 6 圖1-2 氧化鋅相圖。圖中虛線代表水溶液中之鋅離子與固態氧化鋅之間之平衡關係 6 圖1-3氧化鋅四針狀鬚晶結構圖 7 圖1-4 利用高溫即時穿透式電子顯微鏡所拍攝到之鍺奈米線VLS成長過程之TEM照片 10 圖1-5 VLS 成長機制示意圖包含三個階段(Ⅰ)合金,(Ⅱ)成核,(Ⅲ)晶體之軸向成長 11 圖1-6 太陽光電解水製氫原理圖 13 圖1-7 半導體材料表面與液體界面光電化學反應過程圖 13 圖1-8 光觸媒反應原理圖 14 圖1-9 各種半導體導帶與價帶能階位置 14 圖2-1 水裂解之元件示意圖 31 圖2-2 X光繞射儀 (x-ray diffraction; XRD) 33 圖2-3 冷場發射式掃描電子顯微鏡 36 圖2-4 電子束與試片作用產生各種電子示意圖 36 圖2-5　吸收紫外光/可見光之電子躍遷圖 37 圖2-6　紫外光/可見光波長分布圖 39 圖3-1氧化鋅奈米柱之掃描式電子顯微鏡影像圖，其成長時以水為溶劑沉積之氧化鋅作為晶種層，其圖a與b之放大倍率分別為1000倍與6000倍。 43 圖3-2氧化鋅奈米柱之掃描式電子顯微鏡影像圖，其成長時以酒精為溶劑沉積之氧化鋅作為晶種層，其圖a與b之放大倍率分別為1000倍與6000倍。 44 圖3-3 氧化鋅晶種層之成長機制，上圖為以水作為溶液，下圖為酒精溶液。 46 圖3-4 以0.06 M硝酸鋅與四氮六甲環之溶液，於矽晶板成長之氧化鋅奈米柱。圖a為俯視圖；圖b為剖面圖。 49 圖3-5 以0.10 M硝酸鋅與四氮六甲環之溶液，於矽晶板成長之氧化鋅奈米柱。圖a為俯視圖；圖b為剖面圖。 50 圖3-6 以0.15 M硝酸鋅與四氮六甲環之溶液，於矽晶板上成長之氧化鋅奈米柱。圖a為俯視圖；圖b為剖面圖。 51 圖3-7 溶液濃度對直徑與長度影響之關係圖 52 圖3-8 不同濃度成長氧化鋅之X光繞射圖 53 圖3-9 氧化鋅之立體結構示意圖 53 圖3-10 穿透式電子顯微鏡分析。圖a為氧化鋅明視野像圖，圖b為選區繞射圖譜。 54 圖3-11以0.06 M硝酸鋅與四氮六甲環之溶液，於矽晶板成長不同時間之氧化鋅奈米柱。圖a、c、e之成長時間分別為12、18與21小時之俯視圖；圖b、d與f為剖面圖 56 圖3-12以0.06 M硝酸鋅與四氮六甲環之溶液，於矽晶板成長不同時間之氧化鋅奈米柱。圖a與c之成長時間分別為24與36小時之俯視圖；圖b與d分別為剖面圖 57 圖3-13成長時間對直徑與長度影響之關係圖 58 圖3-14 控制氧化鋅奈米柱轉變為奈米管之成長機制圖。 61 圖3-15 不同成長時間之硒化鎘量子點之吸收光譜 64 圖3-16 不同成長時間與量子點粒徑大小關係圖 65 圖3-17 硒化鎘量子點分別以油酸與巰基丙酸為連結分子之紫外可見光吸收光譜圖 67 圖3-18 油酸之結構式 68 圖3-19 巰基丙酸之結構式 68 圖3-20 硒化鎘量子點-巰基丙酸-氧化鋅示意圖 69 圖3-21 氧化鋅奈米柱與奈米管結合硒化鎘量子點之紫外可見光吸收光譜圖 71 圖3-22 氧化鋅-硒化鎘量子點之穿透式電子顯微鏡分析 72 圖3-23 氧化鋅-硒化鎘量子點之高解析穿透式電子顯微鏡分析 72 圖3-24 化學元素成份定性及定量全能譜分析 72 圖3-25 水裂解之元件示意圖 75 圖3-26 氧化鋅、硒化鎘與水之能階相對位置圖，其中綠色虛線為電子電洞移動路線，紅色實線為能隙大小 75 圖3-27 水裂解之元件電流-電壓特性分析圖 77 圖3-28 水裂解之元件電流-電壓特性分析圖，偏壓為零之局部放大圖 78 圖3-29 浸泡28 M硒化鎘之水裂解元件電流-電壓特性分析圖 79 圖3-30 浸泡28 M硒化鎘之水裂解元件電流-電壓特性分析圖 80 圖3-31 光電流密度與所浸泡之硒化鎘量子點濃度之關係圖 80 表目錄 表2-1 一般X-光所使用金屬靶之波長 32 表3-1藉式3-8將不同吸收波長轉換為相對之量子點粒徑大小 64

    參考文獻
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