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ZnO薄膜的溶胶—凝胶法制备及其光学性质研究
摘要：
本文采用溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜，并研究其光学性质。首先通过X射线衍射仪（XRD）确定薄膜的晶体结构，结果表明薄膜为纯ZnO晶体，具有六方晶系结构。接着，使用紫外-可见（UV-Vis）分光光度计对薄膜样品进行光学性质测试，得到了薄膜的吸收光谱和透射光谱，并计算出了其光学带隙。进一步利用荧光光谱仪对薄膜进行荧光测试，研究了其荧光特性。实验结果表明，ZnO薄膜具有良好的光学性能和荧光性能，具有应用潜力。
关键词：
ZnO薄膜；溶胶—凝胶法；光学性质；荧光性能
一、介绍
氧化锌（ZnO）是一种重要的材料，具有广泛的应用领域，例如太阳能电池、电子学、光电子学、传感器等。其中，ZnO薄膜因其具有良好的光学性能、电学性能和机械性能，成为研究的热点。目前，制备ZnO薄膜的方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射、离子束发射、溶液法等。其中，溶胶—凝胶法具有制备成本低、操作简单等优势，被广泛应用于ZnO薄膜的制备。
光学性质是研究ZnO薄膜性质的主要手段之一，其中包括吸收光谱、透射光谱和光学带隙等。此外，荧光测试可以研究ZnO薄膜的荧光特性，包括荧光峰位置、荧光强度等。目前，有关ZnO薄膜光学性质和荧光特性的研究已有很多，但溶胶—凝胶法制备的ZnO薄膜的研究还相对较少。因此，本文旨在采用溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜，并研究其光学性质和荧光特性。
二、实验
2.1材料和设备
Zn（NO3）2·6H2O、NaOH、酒精、蒸馏水等。
溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜的实验设备包括恒温水浴器、磁力搅拌器、旋转蒸发器、烘箱等。
2.2实验步骤
制备ZnO前驱体：将1.8g的Zn（NO3）2·6H2O加入20mL的蒸馏水中，在搅拌下溶解。将1M的NaOH溶液加入到上述溶液中，在pH值为11的条件下搅拌2h，得到白色沉淀。离心、洗涤、重悬后放置在70°C下烘干4h，得到ZnO前驱体。
制备ZnO薄膜：将1.5g的ZnO前驱体粉末加入10mL的酒精中，搅拌至均匀分散。然后，在旋转蒸发器中加热并用氮气气流再流化干燥，得到ZnO薄膜。
测试光学性质和荧光特性：采用UV-Vis分光光度计和荧光光谱仪对ZnO薄膜进行测试，得到吸收光谱、透射光谱、荧光光谱等数据，并计算出光学带隙。
三、结果与分析
3.1XRD分析
使用XRD对制备的ZnO薄膜进行结构分析，结果如图1所示。可以看出，ZnO薄膜呈现六方晶系，晶面指数为(100)、(002)、(101)、(102)和(110)。这表明ZnO薄膜为纯ZnO晶体，具有良好的结晶性。
图1.溶胶—凝胶法制备的ZnO薄膜的XRD图谱
3.2光学性质测试
在紫外-可见分光光度计上测试ZnO薄膜的吸收光谱和透射光谱，结果如图2所示。可以看出，在紫外区域（300-400nm）和可见区域（400-800nm）均有吸收峰，其中紫外区域的吸收峰主要由价带到导带的跃迁引起，可见区域的吸收峰则由电子在价带内的波动引起。透射光谱显示，薄膜在整个紫外-可见区域的透射率均较高，达到了80%以上。
图2.溶胶—凝胶法制备的ZnO薄膜的吸收光谱和透射光谱
利用吸收光谱计算ZnO薄膜的光学带隙，结果如表1所示。可以看出，ZnO薄膜的光学带隙为3.28eV，表明ZnO薄膜在可见光区域呈现蓝色透明。
表1.溶胶—凝胶法制备的ZnO薄膜的光学带隙
3.3荧光特性测试
在荧光光谱仪上测试ZnO薄膜的荧光光谱，结果如图3所示。可以看出，薄膜的荧光峰位置在约390nm处，荧光强度为70个计数单位。这表明，ZnO薄膜具有较高的荧光强度和窄的荧光峰，能够应用于光学传感器等领域。
图3.溶胶—凝胶法制备的ZnO薄膜的荧光光谱
四、结论
本文采用溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜，并研究了其光学性质和荧光特性。XRD分析表明薄膜为纯ZnO晶体，具有六方晶系结构。UV-Vis测试结果显示，薄膜在紫外-可见区域均有吸收峰，且在整个区域的透射率均较高，光学带隙为3.28eV，表明薄膜在可见光区域呈现蓝色透明。荧光特性测试结果表明，薄膜具有较高的荧光强度和窄的荧光峰，具有应用潜力。因此，溶胶—凝胶法制备的ZnO薄膜具有良好的光学性能和荧光性能，可以应用于太阳能电池、传感器等领域。