模板法低维纳米氧化锌的制备与表征

摘要

ZnO由于同时具有优异的半导体、压电、热电和荧光特性而一直得到广泛的关注和应用。尤其是在近年来发现ZnO作为一种典型的直接带隙半导化合物，室温下的禁带宽度为3.37eV，激子结合能为60meV，可用于短波长半导体激光器、紫外光发射和探测器件、透明半导体、机电耦合传感器等光电子纳米器件，使得ZnO成为纳米领域的研究热点。 本论文综述了近年来纳米氧化锌的制备方法及它们的应用状况。鉴于气相法制备纳米氧化锌需要昂贵的实验设备、较高的实验温度、且产物收集困难，本研究着眼于液相法制备低维纳米氧化锌材料，主要包括可以低成本规模化生产的水热/溶剂热法、溶胶—凝胶法和直接反应沉淀法，通过不同的制备条件来实现对纳米氧化锌的形貌控制并对纳米氧化锌的形貌控制机理进行了系统的研究。最后为了实现纳米氧化锌的有序可控生长，深入研究了利用模板法制备纳米氧化锌，并对其结构和性能进行表征。 本文的主要工作和取得的主要结果如下： 1.水热法中，选用聚乙二醇(PEG)为软模板，水为溶剂，调节Zn<'2+>/OH<'->浓度，成功制备出包括纳米碗、纳米棒、纳米花在内的多种形貌纳米氧化锌。PEG在水溶液中的分相团聚现象是合成纳米碗和纳米花纳米结构的决定性因素。 2.溶剂热法中，选用聚乙二醇(PEG)为软模板，乙醇与水为混合溶剂，调节Zn<'2+>/OH<'->浓度，制备出包括纳米线、纳米棒、六角螺母、六方棱柱在内的不同形貌纳米氧化锌，探讨了PEG作为软模板对产物形貌的控制。由于PEG会同时和溶剂分子及Zn<'2+>产生化学键和，因此PEG的作用主要受到[OH<'->]/[Zn<'2+>]的影响。只有在[OH<'->]/[Zn<'2+>]=2∶1时才能够得到一维纳米氧化锌，在[OH<'->]/[Zn<'2+>]=1∶1的条件下则只能形成六角螺母和六方棱柱，在其他更高的反应物浓度比范围则形成纳米棒同十四面体的混合体。 3.采用两步阳极氧化法，以草酸为电解液制备出高度有序的多孔氧化铝，孔洞垂直铝片表面呈六方蜂窝状排列，孔径大小一致并可通过阳极氧化参数调节孔道尺寸，为定向有序生长纳米氧化锌提供完美模板。 4.以醋酸锌为先驱体配置溶胶溶液，通过浸渍法、滴入法和真空抽滤法，在毛细管力、重力和大气压力作用下，将ZnO胶体渗入阳极氧化铝模板的孔道，利用模板的空间限制效应，控制氧化锌纳米线的生长位置和尺寸。其中，以真空抽滤法的效果最佳，可获得直径约60nm，长达几微米的氧化锌纳米线阵列。 5.以氨水为矿化剂采用直接反应沉淀法制备纳米氧化锌，在不同锌离子浓度下，pH值以及温度的条件下成功得到星状、针状、棒状等不同形貌的低维纳米氧化锌材料。在直接反应沉淀法的基础上选用制备一维纳米氧化锌的最佳条件并将阳极氧化铝模板引入反应体系作为异相形核生长的基板，成功制备出了直立的片状氧化锌纳米晶有序阵列。 6.水热法和直接沉淀法可以制备结晶完好的氧化锌纳米颗粒，具有较好的本征蓝紫光(约390nm)发光特性，但由于颗粒形貌各异、分布无序，发光峰宽化，且样品中存在较多氧空位，出现绿光(约460nm)和橙黄光(>500nm)的发射。利用多孔氧化铝模板有序的孔洞排布，可以控制氧化锌纳米结构的生长位置和形貌，特别是结合真空抽滤手段生长的有序纳米线阵列，仅在蓝紫光区域出现强烈发光峰，具有良好的发光性能。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景

1.2本课题的研究思路和研究内容

第2章文献综述

2.1引言

2.2半导体纳米材料的特性

2.2.1表面效应

2.2.2量子尺寸效应

2.2.3宏观量子隧道效应

2.2.4小尺寸效应

2.3纳米氧化锌的研究进展

2.3.1 ZnO的基本性质

2.3.2纳米氧化锌的制备

2.3.3纳米氧化锌的性能

2.4模板法制备ZNO有序纳米结构

2.4.1软模板

2.4.2硬模板

2.5研究展望

第3章实验方法、样品制备及测试方法

3.1实验方法

3.1.1水热法/溶剂热法合成纳米氧化锌

3.1.2阳极氧化法制备多孔氧化铝模板

3.1.3溶胶—凝胶法在阳极氧化铝模板中合成纳米氧化锌

3.1.4溶液反应法在阳极氧化铝模板上合成纳米氧化锌

3.2主要实验设备与器材

3.2.1水热反应釜

3.2.2阳极氧化反应槽

3.3实验原料和过程

3.3.1水热/溶剂热制备纳米氧化锌

3.3.2阳极氧化法制备多孔氧化铝模板

3.3.3 sol-gel法在AAO模板中制备纳米氧化锌

3.3.4溶液反应法制备氧化锌纳米结构

3.4测试方法

3.4.1 X射线衍射(XRD)

3.4.2原子力显微镜(AFM)

3.4.3扫描电子显微镜(SEM)

3.4.4场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)

3.4.5透射电子显微分析(TEM)

3.4.6紫外可见吸收光谱(UV-Vis absorption)

3.4.7光致荧光光谱(PL)

3.4.8 X射线光电子能谱(XPS)

第4章水热法在软模板作用下制备纳米氧化锌

4.1引言

4.2实验

4.3实验结果与讨论

4.3.1 A系列样品：时间对材料形貌的影响

4.3.2 B系列样品：氢氧化钾浓度对材料形貌的影响

4.3.3 C系列样品：PVA加入量对材料形貌的影响

4.3.4 D系列样品：PEG加入量对材料形貌的影响

4.3.5 E系列样品：PEG分子量对材料形貌的影响

4.3.6水热法制备ZnO纳米结构的发光性能

4.4本章小节

第5章溶剂热法在软模板作用下制备纳米氧化锌

5.1引言

5.2实验

5.3结果与讨论

5.3.1 A系列样品形貌随PEG分子量的变化

5.3.2 B系列样品形貌随PEG分子量的变化

5.3.3 C系列样品形貌随PEG分子量的变化

5.3.4 D系列样品形貌随PEG分子量的变化

5.3.5 E系列样品形貌随前驱体浓度的变化

5.3.6 F系列样品形貌随时间的变化

5.3.7 G系列样品形貌随PEG加入量的变化

5.3.8 PEG在溶剂热法中对ZnO结晶形貌的控制机理

5.4本章小节

第6章阳极氧化法制备多孔氧化铝模板

6.1引言

6.2实验参数对氧化铝模板形貌的影响

6.2.1铝基材的预处理

6.2.2铝片的阳极氧化和扩孔

6.3本章小结

第7章Sol-gel法在多孔氧化铝模板中制备纳米氧化锌阵列

7.1前言

7.2实验

7.2.1溶胶的制备

7.2.2直接浸渍法在氧化铝模板中制备纳米氧化锌

7.2.3滴入法在氧化铝模板中制备纳米氧化锌

7.2.4真空抽滤法在氧化铝模板中制备纳米氧化锌

7.2.5 Sol-Gel法在多孔氧化铝模板中合成纳米ZnO的发光性能

7.2.6 Sol-gel在多孔氧化铝模板中制备其他纳米线

7.3本章小节

第8章溶液反应法在多孔氧化铝模板中制备纳米氧化锌

8.1引言

8.2结果与讨论

8.2.1溶液反应沉淀法制备条件对纳米氧化锌形貌的影响

8.2.2溶液反应沉淀法制备条件对纳米氧化锌发光性能的影响

8.2.3基板诱导溶液反应法制备纳米氧化锌

8.2.4二步法在氧化铝模板表面制备纳米氧化锌

8.4本章小结

第9章总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文