基于柔性衬底的ZnO纳米线的制备与研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：随着三星，华为在今年的ces电子消费者大会上分别发布了sansung galaxy fold和huawei mate x,柔性可弯曲屏幕进入了广大消费者的视线。透明导电的氧化物zno纳米线作为透明导电电极可以构建zno基柔性光电子器件，不但可以保持zno基传统光电子器件优异的电学、光学性能，同时还可以承受拉压、弯曲等大变形，使得器件具备耐冲击、可延展和可穿戴等优点。有机发光二极管（oled）可以制备在柔性衬底上,与传统的硬质衬底显示相比，柔性有机发光二极管(foled)具有可折叠、质量轻的优点，可以通过打印、喷墨与roll-to-roll等低成本的制备工艺实现大面积柔性发光器件。在可折叠电子报刊、曲面电视和可穿戴显示器等柔性显示方面具有很好的应用前景，受到了学术界和工业界的广泛关注，已经成为当前的研究热点。经过近几在年的发展，foled的性能有了明显的提高，但是，制约foled发展应用的柔性衬底和柔性电极等关键因素还存在诸多问题。

透明导电氧化物作为透明导电电极已经在有机光电器件上得到了广泛的应用。常见的透明导电氧化物有ito、izo、izto、azo等，由于其在可见光区(λ=380-780nm)有t80%的透光率和低电阻率(ρ＜10－3Ω·cm)，很适合作为透明导电电极，被广泛应用于液晶显示和照明等领域。zno纳米线作为透明导电氧化物因为具有较高的电导率、透过率和功函数，故可以被用来作为显示装置中的电极。

研究现状：在过去的几十年中柔性无机光电子技术蓬勃发展，部分成果已初步形成产业，如韩国三星电子的可弯曲屏幕手机、惠普实验室与亚利桑那州立大学共同发明的笔状可卷曲电子显示器等。而在国内，中山大学的汤子康教授在zno的n型掺杂和zno基紫外发光led等领域取得了重要进展；半导体研究所的沈国震研究员在基于Ⅱ-Ⅴ或Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米结构的柔性光电子器件功能和结构的设计研究方面也获得了丰硕的研究成果。但是，zno基柔性光电子器件中，zno功能材料与柔性衬底结合的紧密性、zno纳米材料性能的稳定性、微纳尺度下zno纳米材料制备的均匀性和光电子器件组装的有效性等一系列问题严重制约着其发展。目前，虽然关于在柔性衬底上生长zno纳米结构的报道比较多，如banerjee a. n.等人在363k的温度下，利用直流溅射技术分别在pet和玻璃衬底上制备了厚度约为260–490nm的zno薄膜，并详细分析了生长衬底不同的这两种薄膜光学和电学性质；zhangl.等人在不同生长温度下，利用化学沉积法在导电的ito衬底上制备出随温度升高而直径不断减小的zno纳米棒阵列，并观察到zno纳米棒阵列薄膜的pl光谱存在绿色和紫外发光带。但是，柔性衬底上制备zno纳米结构相关的研究内容大多数是集中于，在单一的柔性衬底（如pet、gr、cfs、ito等）上生长zno纳米结构，或者，仅对zno纳米结构的光学和电学性能或其中某一个方面的性能进行研究。针对双层柔性衬底上多形貌zno纳米结构的制备研究，以及zno/柔性衬底复合结构在光催化与电化学方面的性能研究较少。由于pet、cfs等衬底材料的基本性能参数（如：晶格常数、介电常数和热膨胀系数等）与zno晶体相差较大，若直接在单层的柔性衬底上生长zno纳米结构，这容易引发热失配和晶格失配等问题，容易导致在晶体与衬底的交界面处产生大量的晶格缺陷，不利于zno纳米结构的生长，因此，通常在单层柔性衬底表面上引入一层缓冲物质，以达到缓解上述问题的目的。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：目前，科研工作者对于柔性显示技术仍在不断探索过程中，柔性有机发光二极管(FOLED)具有可折叠、质量轻的优点，可以通过打印、喷墨与roll-to-roll等低成本的制备工艺实现大面积柔性发光器件。透明导电的氧化物ZnO纳米线作为透明导电电极可以构建ZnO基柔性光电子器件，不但可以保持ZnO基传统光电子器件优异的电学、光学性能，同时还可以承受拉压、弯曲等大变形，使得器件具备耐冲击、可延展和可穿戴等优点。为得到形貌更好、更适于应用在柔性屏幕中的ZnO纳米材料，本课题旨在了解ZnO的晶体结构与基本合成方法，用正确的理论对其生长机制进行解释。了解各个制备方法的优劣，通过比较选择了在低温下简单且具有成本低、污染小、纯度高等优点的水热法制备ZnO纳米线，并用SEM技术观察其形貌，探究水热法在PET-ITO材料上制备形貌可控的ZnO纳米线的工艺条件。并针对前驱体浓度、反应时间和反应温度等因素，通过对照实验，分析探讨ZnO纳米线的最佳生长环境。

预期目标：本课题旨在用低温水热法在柔性材料表面合成ZnO纳米线。了解ZnO的晶体结构并从结构层次解释ZnO纳米线具有导电性，解析了水热法合成ZnO纳米线的生长原理。通过对PI,PEN,PET等材料的比较分析，选择出最适合工业生产柔性显示设备的柔性衬底，保证柔性屏幕的大规模生产。通过对照实验分析并探究前驱体浓度、生长温度、生长时间等外界因素对ZnO纳米线的晶体质量与形貌的影响，找寻实验室制备ZnO纳米线的最佳生长环境。并通过SEM技术观察其形貌，研究ZnO纳米线的透光性与吸光性，确保柔性屏幕的显示效果。通过这篇论文，让我更加深入了解关于在柔性衬底PET-ITO上用低温水热法生长ZnO纳米线等方面的知识。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：通过查阅相关文献，了解zno的结构与性质，选择zno纳米线的合成方法。使用直流磁控溅射镀膜机在柔性衬底pet-ipo上用磁控溅射法沉积纳米zno种子层。配置实验所需溶液，将柔性衬底分别浸泡在各组溶液中，让其在不同温度的烘箱中生长，在柔性材料pet-ipo衬底上合成zno纳米线。最后分析实验数据及zno纳米线的表征找到最适合其工业生产的解决方案。

步骤：1. 明确研究内容和目的，查阅相关资料，确认使用水热法在pet-ito上制备纳米zno。

2. 在柔性衬底上用磁控溅射法沉积纳米zno种子层，以pet为基底，利用沈科仪fjl-560型直流磁控溅射镀膜机，采用高纯zno陶瓷靶，在室温下制备zno薄膜。实验前依次使用去离子水对pet基底进行超声清洗15分钟，利用高纯氮气吹干放置于镀膜室，关闭舱门，将镀膜室本底真空抽至低于0.0013pa。沉积前，对zno靶预溅射30分钟以除去表面杂质和氧化层。以氩气为溅射气体，调节工作气压0.8pa，氩气流速20ml/min，设置zno层溅射功率30w，改变zno层沉积时间，沉积zno薄膜。

4. 参考文献

[1]容萍,任帅,于琦.al掺杂zno纳米棒在柔性衬底上的生长及其性能研究[j].中国陶瓷,2018,54(12):20-24.

[2]王维. 基于柔性衬底水热生长zno纳米结构及其性能研究[d].陕西理工大学,2018.

[3]冯魏良,黄培.柔性显示衬底的研究及进展[j].液晶与显示,2012,27(05):599-607.

5. 计划与进度安排

（1）3月1日至3月15日：根据任务书，明确设计的内容和目的，查阅相关文献材料,学习论文框架。

（2）3月16日至3月21日：根据阅读的资料文献初步了解设计的原理以及实现的方法，开始写开题报告。

（3）3月22日至4月15日：根据资料完成实验和相关研究。