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一维纳米材料的合成与组装以及光谱性质表征

张先华  
【摘要】: 纳米材料是20世纪80年代中期发展起来的一种具有全新结构的材料,因为它们所具有的独特性质,使之在磁学、电子学、光学、催化以及化学传感器等方面呈现出广阔的应用前景。碳纳米管的发现为低维纳米结构的研究与应用开辟了崭新的研究方向,随着研究工作的不断深入,各种新颖的一维纳米结构如非碳纳米管、纳米棒、纳米线和纳米带等相继被发现,这些研究成果引起人们广泛的关注。近年来,一些纳米结构的合成和物理性质的成功表征以及组装技术的不断完善,推动了纳米科技由合成表征向纳米器件方向发展。同时也对纳米材料的合成以及物理性质和生长机制等方面的研究工作提出了更高的要求。在合成方面要求形态可控、尺寸分布窄、表面光滑无杂质和结构稳定等等。表征方面要求尽可能做到原位微观表征,使有关纳米材料结构和性质的研究更加准确可靠。 本文的主要工作是一维纳米材料及其组装结构的合成以及结构和物性表征。具体内容包括以下四个部分: 1.杂多酸盐一维纳米材料及其组装结构的合成与表征 我们采用液相模板法合成了杂多酸盐一维纳米材料及其组装结构,“液相模板”选用的是反向W/O微乳液体系(表面活性剂(C_(12-18)EO_9)/环己烷/水)。首先,我们讨论了合成杂多酸盐纳米材料所需的最佳条件,并在此条件下合成了五种Keggin型杂多酸盐一维纳米材料。它们包括:K_3[PMo_(12)O_(40)]·nH_2O,K_4[SiW_(12)O_(40)]·nH_2O,K_3[PW_(12)O_(40)]·nH_2O,[(C_4H_9)_4N]_3[PMo_(12)O_(40)]·nH_2O和Cs_3[PMo_(12)O_(40)]·nH_2O。然后,通过XRD、SEM、TEM、AES等表征手段对它们组成和结构进行了表征。非常有趣的是,尺寸均一的杂多酸盐纳米棒在该体系中表现出显著的自组装特征。例如,K_3[PMo_(12)O_(40)]·nH_2O纳米棒呈现星形的三维立体组装结构,同样条件下合成的[(C_4H_9)_4N]_3[PMo_(12)O_(40)]·nH_2O纳米棒更呈现出新颖的辫状组装结构。同样,在Cs_3[PMo_(12)O_(40)]·nH_2O棒状产物中也发现了少量的星形堆积结构,这都说明杂多化合物在该体系中具有明显的自组装倾向。我们探讨了三维星形纳米组装结构可能的生成机理,提出了两种假设:小胶团长大再由外向内的生长过程和棒 摘要 状胶束限制生长并组装的机理。这两种假设分别从不同的角度解释了组装结构可能的形 成过程。 2.模板调控生长In(OH)3纳米棒以及热解生成棒状InZ仇纳米结构 通过表面活性剂模板法合成了ln(oH万纳米棒。为了使纳米产物具有理想的形态和 高产率,我们首先讨论了合成条件对产物形态的影响,找到了合成In(0H卜纳米棒的最 佳条件。实验证明,当反应温度为80℃,将初始浓度均为0.02M的In困03)3和HMT溶 液各20ml等体积混合,并向溶液中加入1.469的CTAB,此时反应得到的产物为尺寸均 一的In(oH)3纳米棒.纳米棒直径25一55lun,长度范围在100一225lun,统计产率大于95%. 形貌分析结果显示,In(OH)3纳米棒具有独特的二级结构:每个In(o H)3纳米棒是由多个 更小的二级纳米棒(直径8一IOnm)组成,这些小的纳米棒相互平行自组装形成束状结 构,就得到了In(oH)3纳米棒。高分辨电子显微图像表明,单个二级 In(OH)3纳米棒是 沿着[l 101方向生长的。由In(oH)3纳米棒的xRD图可知,(l 10)晶面衍射峰出现了明 显的弱化现象,这被认为是择优取向造成的。另外,我们还研究了In(OH)3纳米棒的分 解反应,In(oH)3纳米棒在450℃完全分解.把棒状分解产物形貌分析结果与母体形貌 相比较发现两者具有形状和尺寸的一致性。这一发现,证明分解过程中母体对分解产物 的“模板效应”。InZo3纳米棒的晶相和组成通过xRD表征证明为立方相InZo3。InZ伪 纳米棒的室温PL光谱在462Inn左右的发射峰被认为是离子化氧缺位受激发光的结果。 3.微波等离子体CVD方法合成四脚zno纳米结构 在自制的微波等离子体CVD装置中,我们成功地合成了四脚ZnO纳米结构.最佳 合成条件为:氧气流速20sccm:氢气流速6Osccm;石英管外加辅助管式加热炉,炉温 控制在6O0oC,石英管内部的温度大约为450aC。此条件下四脚ZnO纳米结构的统计产 率可达75%。每个四脚结构由四个ZnO纳米棒连在一起组成,四条纳米棒相交在同一 个结点,纳米棒的直径在10一Slun范围,长度可达到160fun,中心核尺寸10一20nln.SEM 照片证明该结构是一个三维空间结构,四个脚(纳米棒)在空间有特定的取向。我们通 过XRD、xPS等表征手段确定了四脚结构的zno组成。采用拉曼光谱、荧光光谱以及 高空间分辨率的阴极荧光光谱比较全面地讨论了该纳米结构的光谱性质,并且讨论了其 摘要 发光机理。 4.在微波等离子体体系中加工制备zno纳米管 我们首先设计了ZnO纳米管的合成路线,然后借助自制的微波等离子体反应装置 分三步完成了ZnO纳米管的加工。具体过程为:①合成Zn纳米线,并用它作为下一 步合成的模板;②控制Zn纳米线的氧化,生成Zn一Zno纳米电缆;③利用Zn和ZnO 的熔沸点的明显差异,通过适当加热除去Zn一no纳米电缆中单质Zn的内芯


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