水热法制备ZnO纳米结构及其性能表征

摘要

氧化锌(ZnO)是一种十分重要的宽禁带直接带隙半导体材料,室温下的禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能达60 meV,被广泛应用于光电、压电、稀磁等领域,具有广阔的应用前景。本文采用水热法制备了不同形貌的ZnO纳米结构,分别探讨了其成型机理；研究了各实验参数对纳米ZnO形貌的影响；采用正交实验法在镀Ag的Si基底上制备了定向有序的一维ZnO纳米杆阵列,并对其浸润性能和压电性能进行了表征。具体研究内容如下:
　　 (1)用Zn片和甲酰胺水溶液建立反应体系,采用水热法制备出了杆状、针状、管状和花状的ZnO纳米纳米结构,采用SEM对样品表面形貌进行了表征并引用晶体的螺型位错生长机制和晶体生长的热力学模型对其成型过程进行了分析。最后采用XRD分析了各样品的物相组成,结果表明我们获得的纳米ZnO是六方纤锌矿结构。实验同时证明了采用水热法可以制备出多种ZnO纳米结构。
　　 (2)分析了温度、时间、初始甲酰胺浓度、缓冲层等对ZnO纳米结构形貌的影响,其结论如下:在一定的温度范围内增加反应温度、延长反应时间、提高甲酰胺水溶液浓度均可以使.ZnO纳米结构的尺寸增大。但是当温度超过一定范围,溶液环境紊乱,容易在基底的不同部位形成不同形貌的纳米ZnO结构。浓度过高,时间过长均会使则ZnO纳米结构之间倾向于联结形成致密的ZnO薄膜。不同的缓冲层会影响形核密度和ZnO纳米结构的定向生长。
　　 (3)采用正交实验法在镀Ag的Si基底上制备了定向有序的一维ZnO纳米杆阵列结构,并采用SEM和XRD进行了表征。
　　 (4)对正交试验制备的定向有序一维ZnO纳米结构进行了压电性能测试和浸润性能测试。压电测试结果表明:在一定范围内,面扫描获得的最大输出电流信号随着长径比增大而增大,采集到的电流信号密度随着杆间距的增大而增大；浸润性能测试结果表明:通过在衬底上构造ZnO纳米杆阵列可以使表面的疏水性能提高,超疏水表面的获得主要跟ZnO纳米杆的杆径和密度有关,试验中获得了接触角达到159.6°的超疏水表面,并采用Cassie-模型计算得到了其理论复合接触角为158.7°,能与实验值较好的符合。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题的研究意义

1.1.1 纳米材料的概念和分类

1.1.2 纳米材料的特性

1.1.3 纳米材料的应用现状和发展前景

1.2 纳米ZnO的研究现状

1.2.1 ZnO纳米材料的特性及应用

1.2.2 ZnO纳米材料的制备方法

1.3 课题提出

第二章 实验材料及相关仪器简介

2.1 实验材料

2.2 实验设备及其原理简介

2.2.1 纳米ZnO的制备仪器

2.2.2 纳米ZnO的结构表征仪器

2.2.3 纳米ZnO的性能表征仪器

第三章 水热法制备不同形貌的ZnO纳米结构

3.1 实验方法

3.1.1 磁控溅射镀膜

3.1.2 ZnO纳米结构的制备

3.2 反应原理

3.3 形貌分析

3.4 不同ZnO纳米结构形貌的成形机理

3.4.1 ZnO的极性生长特性

3.4.2 针状ZnO纳米结构的成型机理

3.4.3 杆状ZnO纳米结构的成型机理

3.4.4 管状ZnO纳米结构的形成机理

3.5 物相分析

3.6 本章小结

第四章 水热法制备ZnO纳米结构的影响因素

4.1 缓冲层对ZnO纳米结构形貌的影响

4.1.1 实验设计

4.1.2 实验结果与分析

4.2 温度对ZnO纳米结构形貌的影响

4.2.1 实验设计

4.2.2 实验结果与分析

4.3 初始甲酰胺浓度对纳米ZnO形貌的影响

4.3.1 实验设计

4.3.2 实验结果与分析

4.4 反应时间对纳米ZnO形貌的影响

4.4.1 实验设计

4.4.2 实验结果与分析

4.5 其它影响因素

4.6 一维有序ZnO纳米杆阵列的制备

4.6.1 实验设计

4.6.2 形貌分析

4.6.3 物相分析

4.7 本章小结

第五章 一维有序ZnO纳米杆阵列的性能表征

5.1 压电性能

5.1.1 压电性能测试过程

5.1.2 结果与讨论

5.2 浸润性能

5.2.1 样品硅烷化

5.2.2 实验结果与分析

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

在硕士期间参与的项目

攻读硕士学位期间发表的论文