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《吉林大学》 2012年
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氧化锌微/纳米材料的调控制备及性能研究

吕春艳  
【摘要】:在众多的纳米材料当中,纳米ZnO半导体材料是最重要的多功能材料之一,它既具备纳米材料的特异性能,同时又具备半导体材料的特性。这些特性使得纳米ZnO半导体材料在发光二极管、光电子、光调节器、化学和生物传感器、变阻器、能量存储(例如太阳能电池、纳米发电机等)、电磁耦合传感器、制动器等很多领域均得到了很好的应用。然而,纳米ZnO半导体材料的组成、结构、微观尺寸直接影响材料的性能。因此,可以通过调节材料的结构、组成、微观尺寸等,改变材料的形貌、晶体结构等参数,从而实现对材料性能的调控。综上所述,有效地调控纳米材料的结构、形貌、微观尺寸等参数,使其具备特殊的物理和化学性能,探索材料的形貌、结构、微观尺寸与其性能的关系,提高材料的性能,开拓材料的应用领域等具有重要的意义。本文选用氧化锌作为研究对象,利用简单易控的水热合成法制备了各种结构的ZnO微/纳米材料,并对其组成、结构、形貌、形成机理、光学性能等进行了一系列的分析表征。考察了实验参数如反应温度、反应时间、反应物浓度等对其形貌、结构等的影响。另外,对几种ZnO的复合物进行了研究,并考察了不同复合比例对其性能的影响。本文主要开展了以下几个方面的工作: 以柠檬酸钾作为结构调节剂,采用简单有效的水热法首次控制制备了具有双“蟠桃”状结构的ZnO材料。反应时间,反应温度,反应物的比例,不同配体等条件对样品的形貌均具有一定的影响。其中柠檬酸钾对双“蟠桃”状ZnO的形成起到关键作用。柠檬酸钾通过与Zn~(2+)的(0001)面的配位阻止ZnO晶核沿[0001]方向的生长,导致晶核沿着[01-10]方向择优生长,形成双“蟠桃”状结构。随着柠檬酸钾的量的减少,产物的形貌由球形变成双盘状,再变成哑铃状,从而实现了对双“蟠桃”状ZnO的可控合成的目的。此外,双“蟠桃”状ZnO具有更好的光学特性、较好的拉曼信号、更好的光电流强度,说明双“蟠桃”状结构的ZnO材料在拉曼激光器、光电传感器等相关领域具有很好的应用前景。 利用柠檬酸钾对形貌的有效调节作用,成功地合成了花状结构和“蒜头”状结构。通过调节反应时间、反应温度等条件实现了对ZnO形貌的可控合成,并初步探索了其形成的机制。花状结构是由大量纳米片有序地堆积而成,通过改变反应时间可以有效地控制ZnO的形貌和尺寸,实现从纳米片到花状结构的可控合成。“蒜头”状结构的ZnO形成是以纳米锥为核心,在纳米锥的周围堆积大量的纳米粒子,随着纳米粒子的不断增加,最后形成“蒜头”状结构的ZnO产物。在花状结构ZnO和“蒜头”状结构ZnO的形成过程中,柠檬酸钾起着重要的调节作用,是一种很好的形貌调节剂。花状结构和“蒜头”状结构的ZnO具有很好的光致发光性能和很强的光电流,使其在光、电、传感器、催化等领域具有很好的应用前景。 采用简单易控的水热法制备了球状的ZnO/ZnSnO_3复合物。考察了不同反应时间、不同复合比例对球状结构形貌的影响,实验结果表明,当复合比例为10%时,反应时间为11h时,得到的样品分散性最好,形貌规则,大小均匀,粒径较小。同时研究了ZnO/ZnSnO3复合物的PL性能、光电流性能,当复合比例在5%-10%的范围时,复合物的紫外发射强度最强,当复合比例为1%时,样品的光电流强度最强。另外,以PEG作为表面活性剂,采用水热合成法成功制备了尺寸较小ZnO/ZnSnO3复合物,对其形貌、成分、结构等进行了分析,实验结果显示,制备的样品为4nm左右的ZnO/ZnSnO3纳米晶复合物。研究了不同复合比例对ZnO/ZnSnO3复合物的PL性能、光电流强度、拉曼性能的影响,结果表明,当复合比例为1%时,复合物的紫外发射强度最强,样品的光电流强度最强,当复合比例为2%时,产物的拉曼信号最强,拉曼性能最好。 通过简单的一步水热法,以PEG作为添加剂制备了纳米棒状的ZnO/CuO复合物,并对其形貌、成分、结构等进行了分析。实验结果表明,复合产物为纳米棒状结构,长度约为50nm,宽度约为20nm,是CuO和ZnO的复合物。对ZnO/CuO复合物的PL性能、拉曼性能、光电流性能等进行了研究,结果表明,当复合比例在5%-10%的范围时,复合物的紫外发射强度最强,随着复合比例的增加,复合产物的光电流强度不断减弱,拉曼信号也不断减弱。此外,用相同的方法制备了纳米矩形状的ZnO/In(OH)_3复合物,对其形貌、成分、结构等进行了分析。实验表明,制备的样品为矩形结构,长度约为35nm,宽度约为18nm,是ZnO和In(OH)3的复合物。并考察了不同复合比例对其PL性能、拉曼性能和光电流强度的影响,结果证明,当复合比例为10%时,复合物的紫外发射强度最强;随着复合比例的增加,复合产物的光电流强度呈减弱的趋势,其中锌化合物的拉曼信号逐渐减弱,铟化合物的拉曼信号逐渐增强。另外,对不同复合比例的样品进行了光催化性能研究,结果发现当ZnO/In(OH)_3复合物的复合比例为1%时,产物的光催化降解效率最好。还研究了不同复合物的光催化降解罗丹明B的光催化降解效率,实验表明,与纯的化合物相比,复合物均对光催化降解效率有不同程度的改善,其中ZnO/In(OH)_3复合物的光催化降解效率改善最明显。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB383.1

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