两步法制备硒化铟纳米片、光电特性的研究及中学物理实验教学探究

发布时间：2020-06-12 11:09

【摘要】：中学物理实验是中学阶段重要的课程,与课本理论知识相互补充、相互印证,也是检验理论知识的标准,但是物理实验课程长期存在不被重视、模式僵硬死板等问题,这些问题大大地降低了学生学习的兴趣,影响了学生的学习效率,同时,学生动手能力与创新能力得不到有效的锻炼,这将会对学生未来学习与工作产生负面影响,因此,推进中学物理或者说基础学科实验课程革新与发展就显得很有必要。随着工业革命与经济全球化的到来,全球进入经济急速发展的阶段,随之而来的不断需求的化石燃料,如煤、石油、天然气的大量的开采为经济发展提供了保障。进而带来的生态与环境的破坏,环境污染以及全球气候变暖等一系列的问题对人类的生存条件与居住环境带来的极大的损害。并且这些能源燃料不可再生且储量有限,因此人类对能源的迫切需求和可持续发展迫使科学家们亟需寻找清洁、可再生的、环境友好的新能源。近年来,二维材料因其独特的物理,化学,光学等特性在光电化学储能、光电传感器、太阳能电池等领域得到初步发展与应用,但仍处于摸索与探究阶段。InSe作为一种重要的Ⅲ-Ⅵ族半导体,存在三种晶相(β,γ,ε)~([1]),这三种晶相结构与石墨烯结构非常相似,层间为六方结构,层与层之间依靠微弱的范德华力结合~([2]),是一种新兴起的层状二维材料,除此之外,还有一种少见的立方晶相。因其较窄的禁带宽度,良好的可见光吸收特性,被广泛的应用于太阳能电池与场效应晶体管(FETs)等其他领域,但因为其合成工艺较为复杂,制备要求较为苛刻,且价电子容易失配,易形成像InSe,In_2Se_3,In_3Se_4,In_4Se_3,In_6Se_7等不同化学计量比的半导体等特点限制了其进一步发展~([1])。因此找到一种简单且成本可控的制备方法亟待解决。本文主要探究如何找到一种简单且高效的制备方法,主要通过简单的溶剂热-退火两步法成功制备出无规则纳米薄片,并且通过工艺优化,改变不同的溶剂与还原剂,优化溶剂热的时间,退火温度与时间,进一步提高了其光电响应特性,并且从光电流产生机理方面(结晶度、吸收、形貌以及阻抗)合理的解释了光电流密度提高的根本原因。本文研究内容如下:(1)选择不同的还原剂(水合肼、乙二醇)与溶剂(去离子水、乙醇),探究不同还原剂与溶剂对材料、形貌以及性能影响,对不同还原剂与溶剂对其形貌与性能影响的主要原因进行了探究以及不同还原剂与溶剂优缺点做了比较,实验结果显示,还原剂与溶剂在材料成核生长的过程中发挥了重要作用,将直接影响材料的形貌进而影响其性能;(2)找到合适还原剂与溶剂,成功寻找到合适的的制备方法,并对材料做一些基本的表征(XRD,SEM,EDS,TEM,HRTEM,XPS,UV-vis),进一步分析了材料的性能,结果显示,材料为目标材料InSe,但存在其结晶度不够高、形貌不规整以及光电流不够大等缺点;(3)针对合成出的材料存在的缺点,需要对制备方法进行工艺优化,通过测试不同制备条件下的光电响应特性,指导优化制备条件,包括溶剂热的时间(12 h、24 h)、退火温度(250℃、300℃)与时间(2 h、4 h、6 h),进一步优化其结晶度、形貌等来提升光电性能,约为15.9μA/cm~(-2),提高约2.8倍,并从光电流产生机理方面(结晶度、晶格缺陷、表面微结构、光吸收、阻抗)对光电流密度提高的原因做出合理的解释。(4)通过自身科研经历与体会,结合教学实践,发现在中学物理实验教学中存在的实际问题,并逐一提出一系列相应策略与方案,并且追赶科技的浪潮,将先进手段合理地引入课堂,为未来实验教学提供新思路。
【图文】：

化石能源,可再生能源,投资额,电力

1.1 引言能源是人类发展的基础，，也是国家经济发展的重要战略物资。煤、石油、天然气等化石燃料的大量开采，其消耗非常惊人，随之带来生态环境的破坏，对人类生存空间带来了极大地伤害，而且这些化石燃料不可再生且储量非常有限，据 2010 年英国石油公司（BP）公布的全球三大化石燃料，石油、天然气与煤炭的储采量分析表明，储采年限分别为 46 年、59 年和 118 年，也就是说到本世纪中叶以后到下世纪初，人类社会将会面临化石燃料的短缺甚至枯竭这一重大问题，因此人类对能源的迫切需求和可持续发展迫使科学家们亟需寻找清洁、可再生的、环境友好的新能源。这极大激发了科研工作者责任感和激情去研发寻找可替代的新型清洁能源，如太阳能，风能，潮汐能，水能等，而在众多新能源之中，资源量最大，分布最为广泛的能源是太阳能[3-5]。在新能源发展与探索的过程中，太阳能电池与光电化学储能发展最为迅猛，成为最具影响力研究热点之一。

形貌,制备方法,性能应用,脉冲激光沉积法

图 1.2 A 立方 MInSe2B 六方 InSe C 立方 InSe1.2 关于 InSe 制备方法InSe 发展到现在，主要制备方法有物理气相沉积（PVD）[20,21]、化学气相沉积法（CVD）[22,23]、Bridgeman-stockberger method[24-26]、脉冲激光沉积法（PLD）[27]、水（溶剂）热法[28-30]以及模板法[31]六种方法，这几种方法各有优缺点，而且不同方法制备形貌与性能应用各不相同。而就目前的报道来看，气相法（CVD,PVD）在制备 InSe 方法上仍然占据主导地位。1.2.1 物理气相沉积（PVD）与化学气相沉积（CVD）
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：G633.7

【相似文献】