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以電化學沉積法製備疏水性奈米氧化鋅薄膜

以電化學沉積法製備疏水性奈米氧化鋅薄膜. Advisor ： S.C.Wang ( 王聖璋 ) Student ： Shih-Kai Shu ( 徐士凱 ). Outline. Introduction Experimental Procedures Results and Discussion Conclusion Future work. Introduction. 介紹. 能源和環境方面 能源方面運用：太陽能電池 環境方面應用：磁磚、玻璃、氣體感測器、光觸媒 氧化鋅材料

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以電化學沉積法製備疏水性奈米氧化鋅薄膜

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Presentation Transcript

  1. 以電化學沉積法製備疏水性奈米氧化鋅薄膜 Advisor：S.C.Wang(王聖璋) Student：Shih-Kai Shu(徐士凱)

  2. Outline • Introduction • Experimental Procedures • Results and Discussion • Conclusion • Future work

  3. Introduction

  4. 介紹 • 能源和環境方面 • 能源方面運用：太陽能電池 • 環境方面應用：磁磚、玻璃、氣體感測器、光觸媒 • 氧化鋅材料 • 氧化鋅為II-VI族的多用途化合物半導體，是一種具有寬能隙的半導體材料 (為六方晶結構 (hexagonal structure))，室溫下帶隙約3.3eV，激子束縛能高達60meV，使其具有在室溫下發出紫外光的能力。 • 另外無毒且製做方便也是氧化鋅受到高度應用的原因之一。

  5. 而伴隨著環保意識的抬頭，使材料表面具有超疏水的特性是很多科學家努力的目標。表面自我清潔的能力，在自然界的植物中是非常常見的，例如在蓮花葉面上不會沾附髒污的特性，也就是所謂的「蓮花效應」(Lotus Effect)。 • 而目前有很多文獻在探討奈米結構對疏水性的影響，例如奈米線陣列、奈米柱和改變基板表面結構的化學性質。而使用氧化鋅做為生成材料的原因，是因為其合成方便且價格便宜。如果又能做出具有太陽能電池功能的奈米氧化鋅薄膜，且具有疏水性，那將會存在著很大的商機。

  6. 本研究是使用電化學沉積法在玻璃基板的表面生成一層類似蓮葉表面的奈米結構，在不改變其表面的化學性質的前提下，利用電化學沉積法，製備出有疏水性的奈米氧化鋅薄膜結構。本研究是使用電化學沉積法在玻璃基板的表面生成一層類似蓮葉表面的奈米結構，在不改變其表面的化學性質的前提下，利用電化學沉積法，製備出有疏水性的奈米氧化鋅薄膜結構。 • 電化學沉積法為電分析法中最早期的研究方法，於1864 年Wolcott Gibbs 最先以此技術來分析電鍍液中的銅與鎳金屬，而電化學沉積又稱電鍍，其過程是一種氧化還原反應。

  7. 電鍍的基本過程是將預鍍試片浸在需要沉積物質之金屬鹽溶液中作為陰極，金屬線(板)作為陽極，接低壓直流電源後，在試片上沉積出所需的鍍層。電鍍的基本過程是將預鍍試片浸在需要沉積物質之金屬鹽溶液中作為陰極，金屬線(板)作為陽極，接低壓直流電源後，在試片上沉積出所需的鍍層。 • 三電極系统 • 工作電極W：依照要測量氧化或還原反應掛載不同的電極。 • 参考電極R：測量電極電位。 • 輔助(對)電極C：提供極化電流迴路。

  8. 電化學沉積法所使用之儀器

  9. Experimental Procedures

  10. Results and Discussion

  11. 此圖為奈米氧化鋅薄膜的XRD圖，參數為鍍金150秒、電化學沉積60分鐘，曲線(A)使用電解液為醋酸鋅，曲線(B)為硫酸鋅。與標準卡(JCPDS 21-1486)對照具有相同的ZnO結構，峰值為(110)、(111)和(200)。

  12. (A) (B) (C) • 參數為鍍金100秒沉積之奈米氧化鋅薄膜接觸角圖 (A)沉積30分鐘，接觸角為117°(B)沉積60分鐘，接觸角為130°(此為電解液是醋酸鋅之樣品) • 參數為鍍金100秒沉積之奈米氧化鋅薄膜SEM圖，沉積時間分別為(A)15分鐘 (B)30分鐘 (C)60分鐘 (電解液為醋酸鋅) (A) (B)

  13. (A) (B) (C) • 參數為鍍金150秒沉積之奈米氧化鋅薄膜接觸角圖 (A) 沉積30分鐘，接觸角為130°(B) 沉積60分鐘，接觸角為124°(此為電解液是醋酸鋅之樣品) • 參數為鍍金150秒沉積之奈米氧化鋅薄膜SEM圖，沉積時間分別為(A)15分鐘 (B)30分鐘 (C)60分鐘 (電解液為醋酸鋅) (A) (B)

  14. (A) (B) (C) • 參數為鍍金100秒沉積之奈米氧化鋅薄膜接觸角圖 (A) 沉積30分鐘，接觸角為126°(B) 沉積60分鐘，接觸角為116°(此為電解液是硫酸鋅之樣品) • 參數為鍍金100秒沉積之奈米氧化鋅薄膜SEM圖，沉積時間分別為(A)15分鐘 (B)30分鐘 (C)60分鐘 (電解液為硫酸鋅) (A) (B)

  15. (A) (B) (C) • 參數為鍍金150秒沉積之奈米氧化鋅薄膜接觸角圖(C) 沉積30分鐘，接觸角為111°(D) 沉積60分鐘，接觸角為108°(此為電解液是硫酸鋅之樣品) • 參數為鍍金150秒沉積之奈米氧化鋅薄膜SEM圖，沉積時間分別為(A)15分鐘 (B)30分鐘 (C)60分鐘(電解液為硫酸鋅) (A) (B)

  16. 此圖為使用硫酸鋅生成的片狀結構EDX的分析。可以看出薄片的成分只具有鋅和氧(未標示出的峰值為金(Au))，可以佐證XRD圖的判定，證實其具有氧化鋅的成分。此圖為使用硫酸鋅生成的片狀結構EDX的分析。可以看出薄片的成分只具有鋅和氧(未標示出的峰值為金(Au))，可以佐證XRD圖的判定，證實其具有氧化鋅的成分。

  17. (A) (B) • 此圖為硫酸鋅生成的片狀結構的TEM圖和繞射圖。由圖(A)可以看出其具有片狀結構，但由於試片是用刮勺從玻璃基板上用力刮下，屬於破壞性的採集，所以會有多片疊在一起，造成其顏色有深有淺。 • 而由圖(B)的選區繞射圖可以看出為非晶結構，但仔細看有些微的結晶相析出，所以可以得知硫酸鋅所生成的片狀結構結晶性不佳。

  18. Conclusion

  19. 經由本實驗結果得知，以電化學沉積的方式，在室溫下，所生成之疏水氧化鋅薄膜為一簡單且可行的方法。本方法有低成本、快速及尺寸不受限制等優點。本研究從實驗結果中歸納以下幾項結論：經由本實驗結果得知，以電化學沉積的方式，在室溫下，所生成之疏水氧化鋅薄膜為一簡單且可行的方法。本方法有低成本、快速及尺寸不受限制等優點。本研究從實驗結果中歸納以下幾項結論： • 本研究所使用簡單的方法，利用醋酸鋅和硫酸鋅能成功成長奈米氧化鋅薄膜。 • 鍍金時間的長短，對於表面結構的成長速度也有密切關係。時間越長，導電率越好，會使得奈米結構成長較為快速，可以降低電化學沉積的時間。 • 使用不同的電解液，會造成薄膜奈米結構的不同。如使用醋酸鋅生成的奈米氧化鋅薄膜結構為花朵狀，並隨著電化學沉積時間的拉長，花朵狀結構會互相結合，團聚成更大的花朵狀結構。

  20. 使用硫酸鋅所生成的奈米氧化鋅薄膜結構，一開始為片狀，之後數量一多就會形成連續網格狀，而在拉長電化學沉積的時間下，結構又會從連續網格狀轉變為透鏡狀結構。使用硫酸鋅所生成的奈米氧化鋅薄膜結構，一開始為片狀，之後數量一多就會形成連續網格狀，而在拉長電化學沉積的時間下，結構又會從連續網格狀轉變為透鏡狀結構。 • 不同的表面結構，造成的接觸角大小也不同。本研究發現花狀結構明顯優於片狀結構，可能是因為花狀結構較接近於蓮葉表面奈米等級的纖毛狀結構，能夠撐起水滴而又不破壞其表面張力，空隙也較多較小，使得花狀結構之接觸角優於片狀結構之接觸角。

  21. Future work

  22. 將使用2次沉積的方法，提高奈米氧化鋅薄膜的疏水性。(超過90 °為具有疏水性，超過150°為具有超疏水性) • 嘗試將金種層由鍍金法改變為溶膠-凝膠法，因為可以更準確的量測其膜厚，也可以視需要調整其導電性。且此法較鍍金法更為便宜。 • 將完成之試片量測其光電特性，並視其可能做出具有疏水性能之太陽能電池。

  23. Thanks for your Attention !

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