一维氧化锌纳米材料的制备及其光学性能研究

摘要

纳米材料是材料科学与纳米科技的交叉部分，也是纳米科技中最基础、最活跃的组成部分，对未来经济和社会发展有着重要影响。由于其明显不同于体材料和单个分子的独特性质，例如小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应等，纳米材料在电子、太阳能、陶瓷、生物和医疗等领域具有巨大的应用潜力。随着人们对纳米材料所具有的特殊性质的不断认识和对纳米材料应用方面的广泛研究，纳米材料与纳米结构的制备方面的研究也日趋深入。20世纪80年代以来，零维（0D）纳米材料的合成与制备已经取得了很大的进展，但一维（1D）、准一维（quasi-1D）及二维（2D）纳米材料及其相关结构的制备和研究仍面临着巨大挑战。由于具有特殊的光学、电学、磁学和机械性能，此类低维纳米材料将是纳米材料在微电子和纳电子方面获得应用的关键，在今后相当长时期内将成为纳米材料研究的重点领域。 氧化锌是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带半导体材料，纳米氧化锌具有纳米材料和优异半导体材料两方面的独特性质，在液晶显示器、太阳能电池、保护性涂层、气敏元件、固体照明光源和紫外发光器件等领域表现出潜在应用前景。最近几十年来，关于ZnO纳米材料制备方面的研究取得了巨大的进步，但仍有很多问题需要解决。目前，有效的控制ZnO纳米材料的形貌和微结构并对其光学性能进行探讨是很多研究人员关注的热点。 本文选择ZnO纳米体系为研究对象，侧重于纳米ZnO的制备以及光学性能的研究。通过静电纺丝法和气相沉积法制备出一维ZnO纳米材料，并借助于X-射线粉末衍射、透射电镜/高分辨透射电镜、扫描电镜，电子探针显微镜、X-射线能谱仪等手段研究了纳米产物的物相组成和微结构；借助X-射线电子能谱、傅立叶变换红外光谱、光致发光光谱等手段表征和探讨了ZnO纳米材料的光学性能。本论文主要研究内容归结如下： 1．采用静电纺丝法与溶胶-凝胶法相结合的方法，以PVA和Zn（Ac）2·2H2O为主要原料，制备出ZnO纳米纤维，并对所得ZnO纳米纤维进行表征和光学性能的初步探讨。结果表明，所得样品为六角纤锌矿型ZnO纳米材料，室温PL光谱显示所得样品在416nm（2．98eV）附近有一强的紫光峰，在459nm（2．70eV）附近有一强的蓝光峰，在位于530nm（2．34eV）附近存在较弱的绿光峰。 2．选择了最典型的n型掺杂元素Al，以PVA和Zn（AC）2为主要原料，Al（NO3）3·9H2O为掺杂剂，经静电纺丝获得四组不同掺杂浓度的ZnO纳米纤维，对其进行表征和性能测试。实验结果表明：所得最终样品为六角纤锌矿型ZnO，且Al3+的掺入对ZnO纳米纤维的形貌和微结构有很大的影响。不同Al掺杂浓度的ZnO：Al纤维的PL图谱在均出现了强的紫光峰和蓝光峰，以及弱的绿光峰。 3．采用CVD方法，通过热蒸发摩尔比为1：1．5的ZnO和C粉的混合粉体，在不同的实验条件下，在Si片上制备了ZnO纳米线阵列。对产物进行表征和性能测试，研究并探讨了不同的实验参数对ZnO纳米线形貌和生长结构的影响。实验结果显示，提高升温速率、缩短保温时间均可使所得ZnO纳米线的直径变小、纳米线表面变光滑、质量变高，而Si片的位置对纳米线直径的影响并不大。PL谱图分析表明，ZnO纳米线阵列在390nm和520nm处各有一明显的发光峰，分别为紫外峰和绿光峰。紫外光发射属于近带边激子跃迁，绿光发射主要是ZnO结构缺陷能级跃迁引起的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2纳米材料的概述

1.2.1纳米材料基本概念

1.2.2纳米材料的组成及分类

1.3纳米材料的性质和应用

1.3.1纳米材料的基本物理特性

1.3.2纳米材料的特殊性质

1.3.3纳米材料的应用前景

1.4纳米材料的制备方法

1.4.1水热法

1.4.2溶剂热法

1.4.3静电纺丝法

1.4.4化学气相沉积法

1.5本课题研究目的、意义和研究内容

参考文献

第二章静电纺丝法制备ZnO纳米纤维及其光学性能研究

2.1引言

2.2静电纺丝法制备一维ZnO纳米材料

2.2.1高分子及盐类的选取

2.2.2试剂与仪器

2.2.3样品制备

2.2.4样品的表征

2.3结果与讨论

2.3.1扫描电镜(SEM)形貌分析

2.3.2热失重(TG)分析

2.3.3傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析

2.3.4 X-射线粉末衍射(XRD)分析

2.3.5透射电镜(TEM)及选区电子衍射(SAED)分析

2.3.6荧光分光光度计(PL)分析

2.3.7各种因素对纤维形貌的影响

2.4本章小结

参考文献

第三章一维ZnO：Al纳米材料的制备及其光学性能研究

3.1引言

3.2静电纺丝法制备一维ZnO：Al纳米材料

3.2.1试剂与仪器

3.3样品制备

3.3.1前躯体溶液的配制

3.3.2前躯体复合纤维的制备

3.3.3前躯体复合纤维的热处理

3.4样品的表征

3.5结果与讨论

3.5.1样品形貌与结构表征

3.5.2 ZnO：Al样品室温下光致发光(PL)光谱分析

3.6本章小结

参考文献

第四章化学气相沉积法制备ZnO纳米线及其光学性能研究

4.1引言

4.2化学气相沉积法制备ZnO纳米线

4.2.1试剂与仪器

4.2.2原料的选择及衬底的清洗

4.2.3实验过程

4.3样品的表征

4.4结果与讨论

4.4.1电子探针显微镜(EPM)分析

4.4.2高分辨透射电子显微镜(HRFEM)分析

4.4.3透射电镜(TEM)分析

4.4.4 X-射线粉末衍射(XRD)分析

4.4.5室温下光致发光(PL)光谱分析

4.5本章小结

参考文献

第五章结论与展望

致谢

攻读学位期间发表的学术论文