不同形貌ZnO纳米结构的制备及其发光性能研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种重要的直接宽带隙半导体无机材料，具有六角形纤锌矿晶体结构，室温下的带隙宽度约为3.37eV，激子结合能高达60meV。纳米ZnO表现出与体材料明显不同的电学、磁学、光学等性质，这些性质与材料的组成、尺寸大小以及维度和结构密不可分。ZnO纳米结构材料由于在光电子器件和传感器等方面的广阔的应用前景，正受到人们的广泛关注。本文主要利用高分子模板法和水热法制备出了具有各种形貌的ZnO纳米结构材料。运用各种表征和测试技术例如扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、光致发光光谱(PL)对所制备的ZnO纳米结构材料进行了分析研究。研究结果如下： (1)以高分子聚合物聚乙烯醇(PVA)为软模板制备出了具有球形形貌的ZnO超细粉体。PVA作为模板剂，在高温退火过程中对ZnO结晶和晶体生长起到网络限域的作用。研究结果表明，PVA浓度和热退火温度是材料合成的关键因素。在合适的制备条件下，可以得到大小在1～3μm，形貌规整，表面圆滑的球形ZnO。这种结构的材料具有优异的紫外发光性能，光致发光光谱表明在385nm处出现了一较强的发射峰。 (2)同样采用PVA模板，通过PVA与乙酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)之间发生的离子络合反应，在PVA亚浓溶液所提供的空间位阻力作用下，经过烧结，在玻璃基底上获得了直径在15～50nm之间的呈放射状簇形排列的ZnO纳米柱。对其生长机理进行了详细研究。研究表明，在ZnO优先取向生长特性影响下，ZnO晶核沿径向各向异性生长，由于ZnO纳米晶晶面的吸附作用和各族晶面生长速率的比例受到影响，同族晶面得不到同等的发育，最终形成呈簇形排列的纳米柱。结果显示，随温度从400℃增加到700℃，ZnO纳米柱结晶度得到改善，生长趋势总体趋于明显，形貌的规整性也明显变好。随着温度升高，ZnO发光性能也在逐渐改善，PL光谱曲线在354nm处出现了少见报道的较强的紫外发射峰。 (3)通过水热法，以硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和六亚甲基四胺(HMT)为原料在玻璃基底上生长出ZnO纳米和微米棒。分析了其生长机制，研究认为，ZnO纳米和微米棒生长时物理化学条件(水热条件)不同，影响到晶核的形成和晶体的生长，从而导致结晶形态有所不同。实验发现，反应物浓度和水热反应时间对于ZnO微纳米棒形貌结构的影响很大。光致发光光谱研究表明，合适条件下所得到的产物在386nm处出现了较强的紫外发射。 (4)利用溶胶凝胶法在玻璃基底上制备一层ZnO晶种，然后再以水热法合成出了具有一定垂直取向性的ZnO纳米棒阵列。XRD证明纳米棒沿c轴生长。提高甩膜速率，在恰当的水热反应物浓度时，ZnO纳米阵列排布较为均匀，直径分布趋于一致。光学性能研究表明，纳米阵列在436nm(2.85eV)和520nm(2.38eV)处出现了较强的蓝光发射和绿光发射。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2纳米材料和纳米结构概述

1.2.1纳米材料和纳米结构基本概念及理论

1.2.2纳米材料和纳米结构国内外研究及应用现状

1.3纳米ZnO材料特性及其研究进展

l.3.1纳米ZnO基本性质

1.3.2纳米ZnO的荧光特性

1.3.3纳米结构ZnO材料的制备技术

1.3.4纳米ZnO结构材料的主要研究热点

1.4论文选题的目的、意义以及可行性分析

1.5本实验研究的主要内容

第二章高分子模板法制备ZnO超细粉体及其表征

2.1模板法概述

2.2模板法分类

2.2.1多空氧化铝模板(AAO)

2.2.2二氧化硅模板

2.2.3表面活性剂模板

2.3高分子模板法

2.3.1高分子金属络合物基本理论

2.3.2聚乙烯醇基本性质

2.3.3高分子模板法基本思路

2.4 ZnO球形超细粉体的制备及表征

2.4.1实验部分

2.4.2结果与分析

2.5本章小结

第三章高分子模板法制备ZnO纳米柱及其表征

3.1 ZnO纳米柱制备研究概况

3.2实验部分

3.3结果与分析

3.3.1 X射线衍射(XRD)分析

3.3.2 SEM及TEM形貌观察和形成机理分析

3.3.3 ZnO纳米柱形成机理分析

3.3.4光致发光(PL)光谱

3.4本章小结

第四章水热法制备ZnO微纳米棒及其表征

4.1水热法概述

4.1.1水热反应特点

4.1.2水热反应分类

4.1.3水热法研究现状

4.2 ZnO纳米棒的水热制备及表征

4.2.1实验部分

4.2.2结果与分析

4.3本章小结

第五章ZnO纳米阵列的水热制备及表征

5.1实验部分

5.1.1 ZnO籽晶的制备

5.1.2 ZnO纳米阵列的制备

5.2结果与分析

5.2.1 X射线衍射分析

5.2.2 SEM形貌分析

5.2.3纳米阵列形成机理

5.2.4光致发光(PL)光谱

5.3本章小结

第六章全文总结及展望

6.1全文总结

6.2今后工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和科研情况说明

致谢