氧化锌znoppt课件
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氧化锌
氧化锌的另一主要用途是用作涂料，1834年，首次成为水彩颜料，但其难溶于油。不过很快问题就由新的氧 化锌生产工艺解决。1845年，勒克莱尔开始在巴黎大规模生产锌白油画颜料，到1850年，氧化锌在整个欧洲流行 开来。氧化锌的纯净度很高，以至于在19世纪末，一些艺术家在画上涂满锌白作为底色，然而这些画作经过百年 后都出现了裂纹。
检查
碱度 取本品1.0g，加新沸的热水10mL，振摇5分钟，放冷，滤过，滤液加酚酞指示液2滴，如显粉红色，加盐酸 滴定液（0.1mol/L）0.10mL，粉红色应消失。 硫酸盐 取本品1.0g，加稀盐酸适量使溶解，依法检查（通则0802），与标准硫酸钾溶液0.5mL制成的对照液比较， 不得更深（0.005%）。 碳酸盐与酸中不溶物 取本品2.0g，加水10mL混合后，加稀硫酸30mL，置水浴上加热，不得发生气泡，搅拌后，溶液应澄清。 炽灼失重 取本品约1.0g，精密称定，在800℃炽灼至恒重，减失重量不得过1.0%。 铁盐 取本品0.40g，加稀盐酸8mL、水15mL与硝酸2滴，煮沸5分钟使溶解，放冷，加水适量使成50mL，混匀后， 取出
应用领域
应用领域
1、在橡胶或电缆工业工业中用作天然橡胶、合成橡胶及乳胶的硫化活性剂、补强剂及着色剂，以使橡胶具 有良好的耐腐蚀性，抗撕裂性和弹性。白色胶的着色剂和填充剂，在氯丁橡胶中用作硫化剂，颗粒细小者（粒径 0.1μm左右）可用作聚烯烃或聚氯乙烯等塑料的光稳定剂。
2、有机合成催化剂、脱硫剂， 3、在化肥工业中对原料气作精脱硫用，用于合成氨、石油、天然气化工原料气的脱硫，甲醇和制氢等工业 原料气、油的深度脱硫净化过程， 4、用作分析试剂、基准试剂、荧光剂和光敏材料的基质 5、用于静电湿法复印、干法转印、激光传真通讯、电子计算机的静电记录及静电制版档 6、用于塑料行业、防晒化妆品系列产品、特殊陶瓷制品、特种功能涂料以及纺织卫生加工等 7、制药，用作收敛药，用于制软膏、锌糊、橡皮膏 8、用作白色颜料，着色力不及二氧化钛及立德粉。用于ABS树脂、聚苯乙烯、环氧树脂、酚醛树脂、氨基树 脂和聚氯乙烯及油漆和油墨的着色。用于颜料锌铬黄、醋酸锌、碳酸锌、氯化锌等的制造。
检查
碱度 取本品1.0g，加新沸的热水10mL，振摇5分钟，放冷，滤过，滤液加酚酞指示液2滴，如显粉红色，加盐酸 滴定液（0.1mol/L）0.10mL，粉红色应消失。 硫酸盐 取本品1.0g，加稀盐酸适量使溶解，依法检查（通则0802），与标准硫酸钾溶液0.5mL制成的对照液比较， 不得更深（0.005%）。 碳酸盐与酸中不溶物 取本品2.0g，加水10mL混合后，加稀硫酸30mL，置水浴上加热，不得发生气泡，搅拌后，溶液应澄清。 炽灼失重 取本品约1.0g，精密称定，在800℃炽灼至恒重，减失重量不得过1.0%。 铁盐 取本品0.40g，加稀盐酸8mL、水15mL与硝酸2滴，煮沸5分钟使溶解，放冷，加水适量使成50mL，混匀后， 取出
应用领域
应用领域
1、在橡胶或电缆工业工业中用作天然橡胶、合成橡胶及乳胶的硫化活性剂、补强剂及着色剂，以使橡胶具 有良好的耐腐蚀性，抗撕裂性和弹性。白色胶的着色剂和填充剂，在氯丁橡胶中用作硫化剂，颗粒细小者（粒径 0.1μm左右）可用作聚烯烃或聚氯乙烯等塑料的光稳定剂。
2、有机合成催化剂、脱硫剂， 3、在化肥工业中对原料气作精脱硫用，用于合成氨、石油、天然气化工原料气的脱硫，甲醇和制氢等工业 原料气、油的深度脱硫净化过程， 4、用作分析试剂、基准试剂、荧光剂和光敏材料的基质 5、用于静电湿法复印、干法转印、激光传真通讯、电子计算机的静电记录及静电制版档 6、用于塑料行业、防晒化妆品系列产品、特殊陶瓷制品、特种功能涂料以及纺织卫生加工等 7、制药，用作收敛药，用于制软膏、锌糊、橡皮膏 8、用作白色颜料，着色力不及二氧化钛及立德粉。用于ABS树脂、聚苯乙烯、环氧树脂、酚醛树脂、氨基树 脂和聚氯乙烯及油漆和油墨的着色。用于颜料锌铬黄、醋酸锌、碳酸锌、氯化锌等的制造。
纳米氧化锌PPT幻灯片
13
一维形式
目前,ZnO 一维纳米材料及其纳米结构的合成方法 主要有化学气相沉积、基于VLS 机理的催化生长 以及磁控溅射法等气相法以及模板辅助合成、电 化学沉积 和溶液生长等液相法。与设备昂贵且能 耗高的气相法相比,液相法合成ZnO 一维纳米材料 具有设备简单以及合成温度低的特点。其中,不需 借助任何模板、表面活性剂以及外加电场的溶液 生长法更是具有容易调控材料尺寸、成本低且便 于大规模化的优势 。因此,近年来,溶液生长ZnO 一维纳米材料并构筑其复合纳米结构的研究成为 了国际热点研究课题
17
n 纳米ZnO粉体（零维） n 纳米ZnO阵列（一维）
固相法、气相法、液相法。
n 纳米ZnO薄膜（二维）
n 纳米ZnO晶体（三维） 固相法制备纳米氧化锌的原理是将两
种物质分别研磨、混合后，充分研磨 气相得法到可前分驱为物物，理再气加相热沉分积解法得、到脉纳冲米激氧光沉 积法、化学气相传化输锌氧粉化末法。等。气相生长法 制得的纳米氧化锌粒径小、产品分散性好，
3
a.岩盐矿结构 b.闪锌矿结构 c.六方纤锌矿 结构
4
n 体积效应 n 表面效应 n 量子尺寸效应 n 宏观量子隧道效应 n 界面相关效应 n 介电限域效应
微粒分散在异质介质中由于界面 能的存在,引起体系介电性能增强 的现象。当微粒的折射率和介质 的折射率相差很大,微粒表面和内 部的场强比入射场强显著增加,引 起的局部场强增加的现象就是介 电限域效应。这种纳米微粒的介 电限域效应对材料的光吸收、光 学非线性、光化学性能等有非常 重要的影响。
14
二维形式
15
三维形式
自从报导用热蒸发法合成了ZnO 纳米晶粒自组装 的多面笼、球壳结构以来, 许多研究人员相继报导 了各自在不同的实验条件下用热蒸发法合成的 ZnO 微纳米空心球结构。合成的ZnO 纳米晶粒自 组装的多面笼、球壳的SEM图像, 是Lu和L iao等 人合成的内外表面生长有纳米线的ZnO 空心微球 的SEM图像
一维形式
目前,ZnO 一维纳米材料及其纳米结构的合成方法 主要有化学气相沉积、基于VLS 机理的催化生长 以及磁控溅射法等气相法以及模板辅助合成、电 化学沉积 和溶液生长等液相法。与设备昂贵且能 耗高的气相法相比,液相法合成ZnO 一维纳米材料 具有设备简单以及合成温度低的特点。其中,不需 借助任何模板、表面活性剂以及外加电场的溶液 生长法更是具有容易调控材料尺寸、成本低且便 于大规模化的优势 。因此,近年来,溶液生长ZnO 一维纳米材料并构筑其复合纳米结构的研究成为 了国际热点研究课题
17
n 纳米ZnO粉体（零维） n 纳米ZnO阵列（一维）
固相法、气相法、液相法。
n 纳米ZnO薄膜（二维）
n 纳米ZnO晶体（三维） 固相法制备纳米氧化锌的原理是将两
种物质分别研磨、混合后，充分研磨 气相得法到可前分驱为物物，理再气加相热沉分积解法得、到脉纳冲米激氧光沉 积法、化学气相传化输锌氧粉化末法。等。气相生长法 制得的纳米氧化锌粒径小、产品分散性好，
3
a.岩盐矿结构 b.闪锌矿结构 c.六方纤锌矿 结构
4
n 体积效应 n 表面效应 n 量子尺寸效应 n 宏观量子隧道效应 n 界面相关效应 n 介电限域效应
微粒分散在异质介质中由于界面 能的存在,引起体系介电性能增强 的现象。当微粒的折射率和介质 的折射率相差很大,微粒表面和内 部的场强比入射场强显著增加,引 起的局部场强增加的现象就是介 电限域效应。这种纳米微粒的介 电限域效应对材料的光吸收、光 学非线性、光化学性能等有非常 重要的影响。
14
二维形式
15
三维形式
自从报导用热蒸发法合成了ZnO 纳米晶粒自组装 的多面笼、球壳结构以来, 许多研究人员相继报导 了各自在不同的实验条件下用热蒸发法合成的 ZnO 微纳米空心球结构。合成的ZnO 纳米晶粒自 组装的多面笼、球壳的SEM图像, 是Lu和L iao等 人合成的内外表面生长有纳米线的ZnO 空心微球 的SEM图像
《氧化锌zno》课件
压敏电阻器是一种非线性电阻器，在电路中可实现过电压保护和浪涌抑制等功能。
氧化锌压敏电阻器具有响应速度快、通流容量大等优点，广泛应用于电子设备和电力系统的 过电压保护。
透明导电膜
01
氧化锌具有较高的导电性能和良 好的透明度，可以用于制作透明 导电膜。
02
在显示器、触控面板、太阳能电 池等领域，透明导电膜作为电极 材料使用，具有较高的导电性能 和可见光透过率。
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
氧化锌的物理性质
总结词
高熔点、高硬度、高稳定性
详细描述
氧化锌是一种白色或微黄色的固体，具有较高的熔点和硬度，能够在高温和恶 劣环境下保持稳定性。
氧化锌的化学性质
总结词
两性氧化物、可溶于酸碱、光催化性 能
详细描述
氧化锌是一种两性氧化物，既可以与 酸反应又可以与碱反应，生成盐和水 。同时，它在光照条件下具有光催化 性能，能够分解有机物。
常见的沉淀剂有氢氧化钠、碳酸钠、氨水等。
热解法
热解法是将含锌化合物加热至高 温，使其分解为氧化锌和氧气。
该方法可获得高纯度氧化锌，但 能耗较大，成本较高，一般仅用 于特殊用途的高纯度氧化锌生产
。
热解法可以采用多种含锌化合物 作为原料，如锌酸盐、醋酸锌等
。
溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是一种制备纳米材料的湿化学方法。将锌盐与有机溶剂混合 ，通过水解和缩聚反应形成凝胶，再经过干燥、热处理得到氧化锌。
中国氧化锌出口量较大，但近年来 出口量有所下降，主要受到国内外 市场价格差异的影响。
中国市场分析
01 02
消费结构
中国氧化锌消费结构较为单一，主要应用于塑料、橡胶、陶瓷等传统领 域，未来随着环保要求的提高和下游新兴领域的拓展，消费结构将逐步 多元化。
氧化锌压敏电阻器具有响应速度快、通流容量大等优点，广泛应用于电子设备和电力系统的 过电压保护。
透明导电膜
01
氧化锌具有较高的导电性能和良 好的透明度，可以用于制作透明 导电膜。
02
在显示器、触控面板、太阳能电 池等领域，透明导电膜作为电极 材料使用，具有较高的导电性能 和可见光透过率。
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
氧化锌的物理性质
总结词
高熔点、高硬度、高稳定性
详细描述
氧化锌是一种白色或微黄色的固体，具有较高的熔点和硬度，能够在高温和恶 劣环境下保持稳定性。
氧化锌的化学性质
总结词
两性氧化物、可溶于酸碱、光催化性 能
详细描述
氧化锌是一种两性氧化物，既可以与 酸反应又可以与碱反应，生成盐和水 。同时，它在光照条件下具有光催化 性能，能够分解有机物。
常见的沉淀剂有氢氧化钠、碳酸钠、氨水等。
热解法
热解法是将含锌化合物加热至高 温，使其分解为氧化锌和氧气。
该方法可获得高纯度氧化锌，但 能耗较大，成本较高，一般仅用 于特殊用途的高纯度氧化锌生产
。
热解法可以采用多种含锌化合物 作为原料，如锌酸盐、醋酸锌等
。
溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是一种制备纳米材料的湿化学方法。将锌盐与有机溶剂混合 ，通过水解和缩聚反应形成凝胶，再经过干燥、热处理得到氧化锌。
中国氧化锌出口量较大，但近年来 出口量有所下降，主要受到国内外 市场价格差异的影响。
中国市场分析
01 02
消费结构
中国氧化锌消费结构较为单一，主要应用于塑料、橡胶、陶瓷等传统领 域，未来随着环保要求的提高和下游新兴领域的拓展，消费结构将逐步 多元化。
氧化锌纳米管PPT课件
第16页/共19页
结论：本文介绍了通过原子层沉积将ZnO纳米管嵌入多孔的氧化铝模板中合并成 为掺铝氧化锌涂层形成高比表面的光阳极，这种电极表现为适当的捕光效率，极 好的光电压和良好的填充因子以及较高的功率效率。
第17页/共19页
本文介绍的这种电池的优点是通过原子层沉积将ZnO纳米管嵌入多孔的氧化铝模 板中合并成为掺铝氧化锌涂层形成高比表面的光阳极，用来吸附更多的染料分子， 从而增加捕光效率，这种光阳极还具有适度传导性以及低阻力，有利于电荷的传 输，通过原子层沉积可以抑制暗电流，从而提高转换效率。
nm ZnO, under simulated AM1.5
illumination.
第15页/共19页
上图给出的是AM1.5光照下，ZnO厚度为7nm时的I-V曲线，此时短路电 流为3.3mA,开路电压为739mV，填充因子为0.64，转换效率为1.6%。转换效 率主要受光电流的影响，相对较低的光电流与小的粗糙因数，光阳极的反射和散 射以及较低的电荷收m时氧化锌纳米管对染料的最大吸收率在氧化锌薄膜 厚度为2nm，此时吸收率为0.71，并且随着厚度的增加吸收率减少。粗糙因数 也随着氧化锌厚度的增加而减小。
第10页/共19页
Short-circuit photocurrent (blue, open symbols) and open-circuit photovoltage (orange, closed symbols) as a function of ZnO wall thickness.
第18页/共19页
感谢您的观看！
第19页/共19页
本文引进高比表面的氧化锌纳米管氧化铝模板作为染料敏化太阳电池 的光阳极。利用原子层沉积技术，为电荷收集提供了一个数几十微米厚的直接通 道。与同类的以氧化锌为基础的太阳电池相比，氧化锌纳米管太阳电池具有特殊 的光电压和填充因子，并且具有1.6%的功率效率。这篇文章给出了一个浅显的 制造技术，利用金属氧化物纳米管作为染料敏化太阳电池的光阳极。
结论：本文介绍了通过原子层沉积将ZnO纳米管嵌入多孔的氧化铝模板中合并成 为掺铝氧化锌涂层形成高比表面的光阳极，这种电极表现为适当的捕光效率，极 好的光电压和良好的填充因子以及较高的功率效率。
第17页/共19页
本文介绍的这种电池的优点是通过原子层沉积将ZnO纳米管嵌入多孔的氧化铝模 板中合并成为掺铝氧化锌涂层形成高比表面的光阳极，用来吸附更多的染料分子， 从而增加捕光效率，这种光阳极还具有适度传导性以及低阻力，有利于电荷的传 输，通过原子层沉积可以抑制暗电流，从而提高转换效率。
nm ZnO, under simulated AM1.5
illumination.
第15页/共19页
上图给出的是AM1.5光照下，ZnO厚度为7nm时的I-V曲线，此时短路电 流为3.3mA,开路电压为739mV，填充因子为0.64，转换效率为1.6%。转换效 率主要受光电流的影响，相对较低的光电流与小的粗糙因数，光阳极的反射和散 射以及较低的电荷收m时氧化锌纳米管对染料的最大吸收率在氧化锌薄膜 厚度为2nm，此时吸收率为0.71，并且随着厚度的增加吸收率减少。粗糙因数 也随着氧化锌厚度的增加而减小。
第10页/共19页
Short-circuit photocurrent (blue, open symbols) and open-circuit photovoltage (orange, closed symbols) as a function of ZnO wall thickness.
第18页/共19页
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本文引进高比表面的氧化锌纳米管氧化铝模板作为染料敏化太阳电池 的光阳极。利用原子层沉积技术，为电荷收集提供了一个数几十微米厚的直接通 道。与同类的以氧化锌为基础的太阳电池相比，氧化锌纳米管太阳电池具有特殊 的光电压和填充因子，并且具有1.6%的功率效率。这篇文章给出了一个浅显的 制造技术，利用金属氧化物纳米管作为染料敏化太阳电池的光阳极。
氧化锌
氧化锌氧化锌是采用环保节能的工艺生产而成的。
氧化锌别名锌氧粉、锌白粉、铅华、亚铅华、锌白，主要应用于橡胶工业、涂料工业、玻璃及陶瓷工业、催化剂、脱硫剂、电子工业、医药、颜料、火柴、农药等多个行业。
产品规格产品名称：氧化锌分子式：ZnO国际商品名称：Zinc Oxide CAS注册号：1314-13-2产品质量标准：GB/T3494-1996 分子量：81.39外观结构：白色或微黄色精细粉末粒径：0.15～0.7μm在玻璃中的用途：在玻璃工业中，氧化锌用在特种玻璃制品中。
玻璃中加入氧化锌，用作助熔剂，可增加透明度、光亮度和抗张力变形，可减少热膨胀系数，在光学玻璃、电气玻璃及低熔点玻璃中得到了新的作用。
纳米氧化锌由于颗粒细、活性高，可以降低玻璃的烧结温度。
添加铝、镓和氮的氧化锌的透明度达90%，可用作玻璃涂料，让可见光通过的同时反射红外线。
涂料可涂在窗户玻璃的内或外，以达到保温或隔热的效果。
间接法、直接法氧化锌的区别间接法氧化锌：间接法氧化锌的原材料是经过冶炼得到的金属锌锭或锌渣。
锌在石墨坩埚内于1000 °C的高温下转换为锌蒸汽，随后被鼓入的空气氧化生成氧化锌，并在冷却管后收集得氧化锌颗粒。
间接法是于1844年由法国科学家勒克莱（LeClaire）推广的，因此又称为法国法。
间接法生产氧化锌的工艺技术简单，成本受原料的影响较大。
间接法生产的氧化锌颗粒直径在0.1-10微米左右，纯度在99.5%-99.7%之间。
按总产量计算，间接法是生产氧化锌最主要的方法。
可用于橡胶、压敏电阻、油漆、磷化液、薄膜、导热材料等产业。
锌锭或锌渣的重金属含量直接影响产物的重金属杂质含量，重金属含量低的产品，还可用于家畜饲料、药品、医疗保健等产业。
直接法氧化锌：直接法氧化锌以各种含锌矿物或杂物为原料。
氧化锌在与焦炭加热反应时，被还原成金属锌被蒸汽，同时再被空气中的氧气氧化为氧化锌，以除去大部分杂质。
直接法获得的氧化锌颗粒粗，产品纯度在75%-99.5%之间。
避雷器(氧化锌)PPT
1
10
10 2
10 3
10 4 I /A
显然避雷器A的非线性程度好于避雷器B，其保护性能 也优于避雷器B
3.2 金属氧化物避雷器
ZnO避雷器的优点
• • • • 无串联间隙 非线性程度好、保护性能优越 通流容量大 工频续流极小、可忽略不计
容许 最大持 续 运行 电压 10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
1
10
10
2
10
3
10
4
I /A
1 m A 电流
（雷 电、操 作） 冲击 电流幅 值
额定电压和容许最大持续运行电压为有效值，1mA参考电压常在直流下测得
3.2 金属氧化物避雷器
ZnO避雷器的参数
10kA 下残压 • 压比： 1mA参考电压 • 荷电率： 容许最大持续运行电压 （幅值） 荷电率 1mA参考电压 压比
3.2 金属氧化物避雷器
3.2 金属氧化物避雷器
ZnO阀片
镀铝
上釉
• 在ZnO阀片的侧面上釉是为了防止沿面放电。 • 表面镀铝的的作用是填满表面凹孔、防止电 流在局部过于集中。
3.2 金属氧化物避雷器
ZnO避雷器的结构
上法兰
• ZnO避雷器中起主 要作用的非线性电 阻元件由多片ZnO 阀片堆叠而成，根 据为先进的硅橡胶复 合外套避雷器的简 化结构。
• 压比反映了避雷器伏安特性的非线性程度，压 比越小非线性程度越大、保护性能越好。 • 荷电率反映了长期工作条件下避雷器承担电压 负荷的轻重，荷电率较高时避雷器老化速度加 快。
3.2 金属氧化物避雷器
ZnO避雷器的优劣评判
锌副族元素-氧化锌
由于 在溶液中不会歧化分解成Hg 2+和Hg。相反，Hg 2+与Hg发生逆歧化反应而生成Hg的倾向则稍大：
四、汞的化合物 汞和锌、镉不同，有氧化值为+l和+2两类化合物，Hg(I)的化合物通常称为亚汞化合物，如氯化亚汞Hg2Cl2、硝酸亚汞Hg(NO3)2等。Hg2Cl2的分子结构是Cl－Hg－Hg－C1，故分子式不是HgCl而是Hg2Cl2，亚汞离子是 汞的元素电势图如下：
实验表明，在溶液中只要有Hg存在，就会将Hg2+还原成 ，这就是由金属汞和汞(Ⅱ)盐制备汞(I)盐的基础。
1.氧化汞 氧化汞有两种不同颜色的变体。一种是黄色氧化汞，一种是红色氧化汞。前者受热即变成红色，二者的晶体结构相同，只是晶粒大小不同，黄色细小。它们都不溶于水。有毒﹗500℃时分解为金属汞和氧气。
(2)氯化亚汞(Hg2Cl2) 又称甘汞,微溶于水，无毒，味略甜。 制备： Hg2Cl2不如HgCl2稳定，见光易分解应保存在棕色瓶中。 Hg2Cl2与氨水反应可生成氨基氯化汞和汞： Hg2Cl2＋2NH3→ Hg(NH2)Cl↓＋Hg↓＋NH4Cl 白色的氨基氯化汞和黑色的金属汞微粒混在一起，使沉淀呈黑灰色。这个反应可用来鉴定 的存在。但在 离子存在下，Hg2Cl2与氨水作用得[Hg(NH3)4] 2+和Hg。
（2）氢氧化锌[Zn（OH）2]： 具有与氢氧化铝相类似的两性氢氧化物。随着pH的逐渐升高, 在pH≈6.5 时开始出现氢氧化锌沉淀; pH在8时沉淀完全, 升高到11左右时,又开始溶解, 当pH≥12.6时完全溶解.
2.锌盐: （1）氯化锌(ZnCl2): 白色熔块, 极易吸潮。无水氯化锌通常由金属锌与氯气直接合成。其浓溶液能形成配位酸而使溶液显酸性。
电化学讲义沉积法制备氧化锌
❖ 3) 采用阴极恒电压模式电沉积ZnO 薄膜, 电压控制在- 019 V, 沉积溶液为011 mol/ L Zn(NO3) 2 水溶液( O2 浓度为反应温 度时的饱和浓度) , 恒温水浴控制反应温 度为65 e , 沉积时间为10 min。
❖ 4) 电沉积后用去离子水漂洗制备的ZnO 薄膜,然后自然晾干。
透明性好。未经过这种预活化处理而直接用步骤3 制备的ZnO 薄膜则表面粗糙, 呈乳白色不透明。图
1 给出了经预活化处理后制备的ZnO 薄膜的透射光 谱( 以ITO 导电玻璃作为参比) , 在400~ 2000 nm 的 波长范围内表现出大于80% 的透过率。透射边在 370 nm 左右, 对应ZnO 的光学带隙为3135 eV。由 于平整的薄膜上下表面对光的干涉作用, 导致了透 射谱上出现周期性的起伏, 根据这个特征可以计算 薄膜的厚度[ 5] 。由图1 估算制备的ZnO 薄膜的厚 度为234 nm 左右。图2 表示经预活化处理后制备的 ZnO 薄膜的XRD 谱。
2. 7eV, 拓宽了薄膜的吸光范围, 这对ZnO 薄膜在 光学方面的应用具有重要意义。
关键词 氧化锌薄膜 电沉积 掺杂 带隙能
1引言
❖ 氧化锌( ZnO) 是一种性能很好的材料, 在电子、光 学、声学及化学等领域都有广泛应用。ZnO 为纤锌 矿结构的直接带隙半导体材料, 室温下禁带宽度为 3137 eV, 激子结合能高达60 meV, 因此具备了发射 蓝光或近紫外光的优越条件。而且, ZnO 可实现p型或n-型掺杂, 有很高的导电、导热性能, 化学性质 稳定, 用它来制备发光器件必然具有高的稳定性和 较低的价格。1997 年报道了ZnO 的光抽运近紫外 受激发射现象[ 1] , 由于其发射的波长比GaN 蓝光 更短, 将在提高光记录密度和光信息的存取速度方 面起到非常重要的作用, 引发了ZnO 半导体激光器 件的研究热潮。
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(a) 自由激子复合发光
自由激子（FE）可以在晶体中运动，传播能量和动量， 但不传播电荷。对于直接带结构半导体，自由激子发 光一般是来自n=1激子能级的跃迁，其发射能量为
exEg R*
其中R*为激子等效里德堡常数。对间接带结构半导体， FE激子发光还需要声子的参与，激子的发光能量为
exEgR*NpE
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ZnO中的可见发光
• ZnO的可见发光是较宽的发光谱带，包括蓝 光、绿光、黄光、红光等波段。
• 通常认为ZnO的可见发光是与ZnO中的各种 本征缺陷，如间隙（Zni、Oi）、空位（Vo、 VZn）、反位(OZn、ZnO)等有关，或者是由 掺杂如Cu、Mn、Er等引起。
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ZnO材料的优势
光电 热电 压电 铁电 铁磁
ZnO的光致发光性质
• 半导体材料的光学性质主要包括本征和非本征光 学过程。本征光学过程主要指带间的辐射和吸收 跃迁以及激子的跃迁。
• 非本征光学过程指的是由杂质和缺陷态所产生的 跃迁。通常可以通过发射光谱、吸收(透射)光谱 和激子光谱表征这些跃迁过程。
• 通常室温下ZnO的光致发光谱中包含两个波段， 一个是紫外发光峰，一个是可见发光峰。研究者 一般将紫外发光峰归结于自由激子发射及其声子 伴线。可见发光峰一般观点是来自于ZnO中的某 种本征缺陷如氧空位、氧反位等，或由外来杂质 引起的。
ZnO
.
ZnO的基本性质
• ZnO的分子量为81.39 • 密度为5.606g/cm3 • 无毒、无臭、无味、无砂性 • 属于两性氧化物。ZnO能溶于酸、碱以及氨水、
氯化钱等溶液，不溶于水、醇(如乙醇)和苯等有 机溶剂 • 熔点为1975℃，加热至1800℃升华但是不分解
.
ZnO的特性
1.Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带半导体材料(Eg=3.37eV) 是一种潜在的短波长发光材料,可应用于室温或更高温度下的可见和紫 外发射材料；且高能带隙为氧化锌带来击穿电压高、维持电场能力强、 电子噪声小、可承受功率高等优点
.
ZnO的能带结构
• 在固体的晶格中，由于相互作用从而使原子的一些电 子能级劈裂成多个相邻分布的次能级，而这些原子同时又 参与了相互作用，这些次能级的总和便形成了能带。能带 理论能够清晰的解释半导体的能带结构。
• Zn电子构型: 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s2 • O电子构型: 1s2 2s22p4 • 通过理论计算表明，ZnO的价带是由Zn原子的3d态与O原
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ZnO的近带边复合发光
• ZnO由激子复合引起的发光 • 激子——半导体吸收光子之后，电子从价带跃迁
到导带，但由于库仑作用，其仍然和价带中的空 穴联系在一起，形成电子-空穴对。 • 自由激子——激子作为一个实体，可以在半导体 中运动； • 束缚激子——被杂质和缺陷态束缚的激子。 • 不论是自由激子还是束缚激子，都是一种激发状 态，其中电子-空穴随时都有可能复合发光，将能 量释放出来，回到稳定的基态。
子的2p态杂化形成，价带宽度为7eV；导带则主要由O原 子的3s态和Zn原子的4s态构成。 • Zn的3d与O的2p的作用会使价带顶向高能方向移动，价 带底则向低能方向移动，作用的结果则使价带变宽，带隙 变小；而导带的最低能级（由阳离子s轨道组成）和价带 的最高能级（由阴离子p轨道组成）则分别向下、向上推 斥后在原来的能隙中极有可能形成了缺陷或其他微扰能级。
4.ZnO的熔点较高（1975℃）,热稳定性强，击穿强度和电子迁移率高， 也是用来做高温、高能、高速电子器件的理想材料
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ZnO的三种晶格结构
ZnO是一种典型的Ⅱ一Vl族化合物半导体
ZnO晶体有三种结构：六角纤锌矿结构(Wurtzlt)、立方闪锌矿结构(Zincblende)、 和立方岩盐结构(Rocksalt)
锌原子和氧原子各自都以密堆积方式 排列，每一个Zn原子位于4个相邻O原 子所形成的四面体间隙中，组成正四 面体，但是只占据其中半数的氧四面 体间隙。
• 纤c=锌0.矿52结06构6nZmn。O晶格常数a=0.32498nm，同也理有，四O个原近子邻排Zn列原也子类，似同，样每组个成O正原四子
面体。这种四面体配位模式导致了
.
ZnO的铁电和铁磁特性
• 铁电性：在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重 心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度， 使晶体具有自发极化，晶体的这种性质
• 铁磁性：是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相 互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的 磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之 增加到某一极限值的现象。
• ZnO沿c轴方向的极性以及极性面、表面极化的存在，使 其具有铁电特性，是研究极性诱生铁电性能的理想材料5]I。 本征ZnO的居里温度约为330K，一般而言，带宽增加， 居里温度也会增加。nzo是一种很好的稀磁半导体材料， 3d过渡态元素在Zno中的溶解度很高，可以高达百分之几 十，常用的掺杂元素包括Mn、Ni、Fe、Co等
立方闪锌矿结构ZnO近邻原子数为4个，Zn原 子位于四个近邻O原子所组成的四面体中心， 闪锌矿ZnO沿[111]方向的 (111)晶面是密排面， 晶体结构的[111]方向也具有极性。
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3.立方岩盐结构
• ZnO立方岩盐结构是一种高压条件下才稳定存在晶 体结构。
• 室温条件下，当压强为9GPa左右，纤锌矿结构的 ZnO转变为立方岩盐结构，近邻原子数变为6，相 应体积减小了17%。ZnO立方岩盐结构是压强很高 时形成的晶体结构，晶格常数a=0.4280nm，空间 点群属于Fm3m。每个晶胞中存在2个原子，Zn原 子位于(0，0，0)，O原子位于(1/2,1/2,1/2) 。它们 各自组成面心立方晶格，两者完全相同，然后O原 子晶格相对于Zn原子在[100]方向平移1/2格长度后， 就形成ZnO典型的立方岩盐晶体结构。
Ep为声子的能量，N为发射的声子数。
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(b) 束缚激子的发光.
激子在运动当中，如果碰到杂质和缺陷态，可能被束缚 住，使能量降低，成为束缚激子(BE)。当激子被束缚于中 性或离化的施主或受主上时，将分别产生施主-激子或受 主-激子复合体。
依据杂质和缺陷态的类型，束缚激子包括： ①束缚在中性施主上的激子D0X； ②束缚在离化施主上的激子D+X； ③束缚在中性受主上的激子A0X； ④束缚在离化受主上的激子A-X。 当束缚激子复合发光时，其发光能量要比自由激子有所降 低，因此束缚激子的发光峰位于自由激子发光的低能方向。
自然条件下六方纤锌矿结构是热力学最稳定的晶体结构。立方闪锌矿结构和 立方岩盐结构存在条件比较苛刻，前者只能在六方结构的衬底上生长才能稳定存 在，后者只有在高压条件下才能获得。 .
1.六方纤锌矿结构
• •
六方纤锌矿结构是自然条件下ZnO最 稳定的一种晶体结构，因而通常情况 下的ZnO都是纤锌矿结构的。 纤锌矿晶体结构原子堆积最紧密，具 有六方对称性，空间群属于 空间群。
2.高激子束缚能(60meV) 远远高于室温下的热离化能（26meV），激子的受激发射在550K下可 实现是ZnSe和GaN材料的3倍,允许激子在高温下复合. 这使ZnO在室温下的光学现象多表现为激子行为。ZnO具有较高的发 光效率和较低能耗，是做发光器件的理想材料
3.严格的结晶学极性 所以它还是一种性能优良的压电材料
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ZnO的压电和热电特性
• ZnO晶体为六方纤锌矿结构，没有对称中心，c轴方向有极 性，Zn(0001)和O(0001)为不同的极性面，具有高的机电 祸合系数和低的介电常数。
• ZnO是一种性能很好的压电和热电半导体材料，可应用于 声表面波器件、体表面波器件、压敏器件、气敏器件、催 化剂、气敏元件、电池、机电调节器等领域
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闪锌矿ZnO晶格常数a=0.4463nm，空间点4个O原子，在晶胞中Zn原子位于
和
,
O原子位于
。
闪锌矿ZnO晶体结构与金刚石结构相似，只 是在金刚石结构中均是C原子构成，而在闪 锌矿ZnO晶体中，分别是Zn和O原子构4 成。
Zn和O原子各自组成完全相同的面心立方晶 格，O原子的晶格沿对角线[111]方向相对于 Zn原子平行移动0.25晶胞对角线长度，这样 就形成了闪锌矿ZnO的晶格结构。
ZnO具有非对称结构。 Zn与O之间的
结合键处于共价键和离子键之间，因
此zno沿c轴方向具有较强的极性，通
常定义从O晶面指向Zn晶面为[0001]方
向，反方向为
方向
这说明纤锌矿结构的zno晶格原点不是
对称中心。ZnO的典型不对称晶体结
构，使得具有独特的压电特性和热电
特性。
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2.立方纤维矿结构
立方闪锌矿结构的ZnO可以在立方相结构的衬底上外延生长得到，具体结构如图所示。
大多数研究者认为价带对称性顺序应为A一Г7，B一Г9和C一Г7，根据光学跃迁的选 择定则，当激发光入射到样品表面，。偏振(E⊥c，k⊥c)时，A、B激子具有较大的谐 振强度;当a偏振 (E⊥c，k//c)，A、B、C激子均有较强的谐振强度;当二偏振(E//c， k⊥c)，则C激子具有较强的谐振强度。 .
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ZnO的能带结构
纤锌矿结构ZnO晶体的导带由S态形成，具有Г7对称性，而价带在晶体场分裂和自 旋轨道耦合的共同作用下劈裂成三个子带，其对称性分别是Г7，Г9和Г7，如图所示。
近带边的光吸收和光发射主要是来自于导带与价带三个子带之间的跃迁。导带中的 电子和三个价带子带中的空穴形成的自由激子分别被标识为A(导带到重空穴)、B(导带 到轻空穴)和C激子(导带到晶体场劈裂带的跃迁)。
(a) 自由激子复合发光
自由激子（FE）可以在晶体中运动，传播能量和动量， 但不传播电荷。对于直接带结构半导体，自由激子发 光一般是来自n=1激子能级的跃迁，其发射能量为
exEg R*
其中R*为激子等效里德堡常数。对间接带结构半导体， FE激子发光还需要声子的参与，激子的发光能量为
exEgR*NpE
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ZnO中的可见发光
• ZnO的可见发光是较宽的发光谱带，包括蓝 光、绿光、黄光、红光等波段。
• 通常认为ZnO的可见发光是与ZnO中的各种 本征缺陷，如间隙（Zni、Oi）、空位（Vo、 VZn）、反位(OZn、ZnO)等有关，或者是由 掺杂如Cu、Mn、Er等引起。
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ZnO材料的优势
光电 热电 压电 铁电 铁磁
ZnO的光致发光性质
• 半导体材料的光学性质主要包括本征和非本征光 学过程。本征光学过程主要指带间的辐射和吸收 跃迁以及激子的跃迁。
• 非本征光学过程指的是由杂质和缺陷态所产生的 跃迁。通常可以通过发射光谱、吸收(透射)光谱 和激子光谱表征这些跃迁过程。
• 通常室温下ZnO的光致发光谱中包含两个波段， 一个是紫外发光峰，一个是可见发光峰。研究者 一般将紫外发光峰归结于自由激子发射及其声子 伴线。可见发光峰一般观点是来自于ZnO中的某 种本征缺陷如氧空位、氧反位等，或由外来杂质 引起的。
ZnO
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ZnO的基本性质
• ZnO的分子量为81.39 • 密度为5.606g/cm3 • 无毒、无臭、无味、无砂性 • 属于两性氧化物。ZnO能溶于酸、碱以及氨水、
氯化钱等溶液，不溶于水、醇(如乙醇)和苯等有 机溶剂 • 熔点为1975℃，加热至1800℃升华但是不分解
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ZnO的特性
1.Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带半导体材料(Eg=3.37eV) 是一种潜在的短波长发光材料,可应用于室温或更高温度下的可见和紫 外发射材料；且高能带隙为氧化锌带来击穿电压高、维持电场能力强、 电子噪声小、可承受功率高等优点
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ZnO的能带结构
• 在固体的晶格中，由于相互作用从而使原子的一些电 子能级劈裂成多个相邻分布的次能级，而这些原子同时又 参与了相互作用，这些次能级的总和便形成了能带。能带 理论能够清晰的解释半导体的能带结构。
• Zn电子构型: 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s2 • O电子构型: 1s2 2s22p4 • 通过理论计算表明，ZnO的价带是由Zn原子的3d态与O原
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ZnO的近带边复合发光
• ZnO由激子复合引起的发光 • 激子——半导体吸收光子之后，电子从价带跃迁
到导带，但由于库仑作用，其仍然和价带中的空 穴联系在一起，形成电子-空穴对。 • 自由激子——激子作为一个实体，可以在半导体 中运动； • 束缚激子——被杂质和缺陷态束缚的激子。 • 不论是自由激子还是束缚激子，都是一种激发状 态，其中电子-空穴随时都有可能复合发光，将能 量释放出来，回到稳定的基态。
子的2p态杂化形成，价带宽度为7eV；导带则主要由O原 子的3s态和Zn原子的4s态构成。 • Zn的3d与O的2p的作用会使价带顶向高能方向移动，价 带底则向低能方向移动，作用的结果则使价带变宽，带隙 变小；而导带的最低能级（由阳离子s轨道组成）和价带 的最高能级（由阴离子p轨道组成）则分别向下、向上推 斥后在原来的能隙中极有可能形成了缺陷或其他微扰能级。
4.ZnO的熔点较高（1975℃）,热稳定性强，击穿强度和电子迁移率高， 也是用来做高温、高能、高速电子器件的理想材料
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ZnO的三种晶格结构
ZnO是一种典型的Ⅱ一Vl族化合物半导体
ZnO晶体有三种结构：六角纤锌矿结构(Wurtzlt)、立方闪锌矿结构(Zincblende)、 和立方岩盐结构(Rocksalt)
锌原子和氧原子各自都以密堆积方式 排列，每一个Zn原子位于4个相邻O原 子所形成的四面体间隙中，组成正四 面体，但是只占据其中半数的氧四面 体间隙。
• 纤c=锌0.矿52结06构6nZmn。O晶格常数a=0.32498nm，同也理有，四O个原近子邻排Zn列原也子类，似同，样每组个成O正原四子
面体。这种四面体配位模式导致了
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ZnO的铁电和铁磁特性
• 铁电性：在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重 心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度， 使晶体具有自发极化，晶体的这种性质
• 铁磁性：是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相 互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的 磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之 增加到某一极限值的现象。
• ZnO沿c轴方向的极性以及极性面、表面极化的存在，使 其具有铁电特性，是研究极性诱生铁电性能的理想材料5]I。 本征ZnO的居里温度约为330K，一般而言，带宽增加， 居里温度也会增加。nzo是一种很好的稀磁半导体材料， 3d过渡态元素在Zno中的溶解度很高，可以高达百分之几 十，常用的掺杂元素包括Mn、Ni、Fe、Co等
立方闪锌矿结构ZnO近邻原子数为4个，Zn原 子位于四个近邻O原子所组成的四面体中心， 闪锌矿ZnO沿[111]方向的 (111)晶面是密排面， 晶体结构的[111]方向也具有极性。
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3.立方岩盐结构
• ZnO立方岩盐结构是一种高压条件下才稳定存在晶 体结构。
• 室温条件下，当压强为9GPa左右，纤锌矿结构的 ZnO转变为立方岩盐结构，近邻原子数变为6，相 应体积减小了17%。ZnO立方岩盐结构是压强很高 时形成的晶体结构，晶格常数a=0.4280nm，空间 点群属于Fm3m。每个晶胞中存在2个原子，Zn原 子位于(0，0，0)，O原子位于(1/2,1/2,1/2) 。它们 各自组成面心立方晶格，两者完全相同，然后O原 子晶格相对于Zn原子在[100]方向平移1/2格长度后， 就形成ZnO典型的立方岩盐晶体结构。
Ep为声子的能量，N为发射的声子数。
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(b) 束缚激子的发光.
激子在运动当中，如果碰到杂质和缺陷态，可能被束缚 住，使能量降低，成为束缚激子(BE)。当激子被束缚于中 性或离化的施主或受主上时，将分别产生施主-激子或受 主-激子复合体。
依据杂质和缺陷态的类型，束缚激子包括： ①束缚在中性施主上的激子D0X； ②束缚在离化施主上的激子D+X； ③束缚在中性受主上的激子A0X； ④束缚在离化受主上的激子A-X。 当束缚激子复合发光时，其发光能量要比自由激子有所降 低，因此束缚激子的发光峰位于自由激子发光的低能方向。
自然条件下六方纤锌矿结构是热力学最稳定的晶体结构。立方闪锌矿结构和 立方岩盐结构存在条件比较苛刻，前者只能在六方结构的衬底上生长才能稳定存 在，后者只有在高压条件下才能获得。 .
1.六方纤锌矿结构
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六方纤锌矿结构是自然条件下ZnO最 稳定的一种晶体结构，因而通常情况 下的ZnO都是纤锌矿结构的。 纤锌矿晶体结构原子堆积最紧密，具 有六方对称性，空间群属于 空间群。
2.高激子束缚能(60meV) 远远高于室温下的热离化能（26meV），激子的受激发射在550K下可 实现是ZnSe和GaN材料的3倍,允许激子在高温下复合. 这使ZnO在室温下的光学现象多表现为激子行为。ZnO具有较高的发 光效率和较低能耗，是做发光器件的理想材料
3.严格的结晶学极性 所以它还是一种性能优良的压电材料
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ZnO的压电和热电特性
• ZnO晶体为六方纤锌矿结构，没有对称中心，c轴方向有极 性，Zn(0001)和O(0001)为不同的极性面，具有高的机电 祸合系数和低的介电常数。
• ZnO是一种性能很好的压电和热电半导体材料，可应用于 声表面波器件、体表面波器件、压敏器件、气敏器件、催 化剂、气敏元件、电池、机电调节器等领域
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闪锌矿ZnO晶格常数a=0.4463nm，空间点4个O原子，在晶胞中Zn原子位于
和
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O原子位于
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闪锌矿ZnO晶体结构与金刚石结构相似，只 是在金刚石结构中均是C原子构成，而在闪 锌矿ZnO晶体中，分别是Zn和O原子构4 成。
Zn和O原子各自组成完全相同的面心立方晶 格，O原子的晶格沿对角线[111]方向相对于 Zn原子平行移动0.25晶胞对角线长度，这样 就形成了闪锌矿ZnO的晶格结构。
ZnO具有非对称结构。 Zn与O之间的
结合键处于共价键和离子键之间，因
此zno沿c轴方向具有较强的极性，通
常定义从O晶面指向Zn晶面为[0001]方
向，反方向为
方向
这说明纤锌矿结构的zno晶格原点不是
对称中心。ZnO的典型不对称晶体结
构，使得具有独特的压电特性和热电
特性。
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2.立方纤维矿结构
立方闪锌矿结构的ZnO可以在立方相结构的衬底上外延生长得到，具体结构如图所示。
大多数研究者认为价带对称性顺序应为A一Г7，B一Г9和C一Г7，根据光学跃迁的选 择定则，当激发光入射到样品表面，。偏振(E⊥c，k⊥c)时，A、B激子具有较大的谐 振强度;当a偏振 (E⊥c，k//c)，A、B、C激子均有较强的谐振强度;当二偏振(E//c， k⊥c)，则C激子具有较强的谐振强度。 .
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ZnO的能带结构
纤锌矿结构ZnO晶体的导带由S态形成，具有Г7对称性，而价带在晶体场分裂和自 旋轨道耦合的共同作用下劈裂成三个子带，其对称性分别是Г7，Г9和Г7，如图所示。
近带边的光吸收和光发射主要是来自于导带与价带三个子带之间的跃迁。导带中的 电子和三个价带子带中的空穴形成的自由激子分别被标识为A(导带到重空穴)、B(导带 到轻空穴)和C激子(导带到晶体场劈裂带的跃迁)。