蒲公英状ZnO晶体的绿色化学合成及性质研究

摘要

ZnO，一个宽带隙（3.37eV）Ⅱ-Ⅵ族半导体，激子结合能为60meV，有三种基本的晶体结构：纤锌矿、闪锌矿和岩盐结构。热力学稳定的晶体结构是纤锌矿结构，这是一个离子化的、极性的结构，锌原子和氧原子以六方密堆积的方式排列。近年来，ZnO表现出了丰富的形貌多态性，包括棒状、线状、球状、片状、馅饼状，纤维状、珊瑚状等。由于ZnO出色的化学和热稳定性、独特的光、电性质，在紫外发光、场效应晶体管、光电探测器、气体传感器、太阳能电池、压电发生器和光催化等领域有广泛的应用。所谓绿色化学，即识别可再生的资源、设计最小化环境影响和最大化效率的化学反应、提高分析技术以监控潜在的有害化学品、以及寻找低毒性和高生物降解能力的替代品。微纳米ZnO晶体的室温常压的大规模合成在工业方面有极大的潜力，因为温和的制造条件意味着低的能量消耗、经济的生产和更少的人力投入等，而这些都是技术应用的关键因素。本论文中，我们提出了一种绿色化学方法，以2-萘磺酸为助剂，在室温和常压下制备出大规模生长的蒲公英状ZnO晶体。用扫描电子显微镜（SEM）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）研究了蒲公英状ZnO晶体的生长过程和形貌，随着时间的增加，初始生成的多面体前驱体逐渐溶解成聚集的晶核，聚集的ZnO晶核沿C轴放射性生长，得到由ZnO棒组成蒲公英状ZnO晶体。如图1所示，ZnO棒长约1μm，头部从聚集的晶核长出，尾部为尖锥状。用XRD、TEM和HRTEM研究了蒲公英状ZnO晶体的晶相结构，该ZnO晶体为六方晶系（JCPDS361451），晶格间距为0.259nm。蒲公英状ZnO晶体在UV-vis吸收光谱和PL发射光谱中表现出优异的光学性质，在透明薄膜晶体管、紫外发光器件等应用中有很大的潜力。