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《武汉大学》 2010年
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Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米材料及纳米复合材料的合成与微结构研究

余雯  
【摘要】: 作为传统的宽禁带半导体材料,Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米材料因其独特的物理化学性质表现出在催化、传感、光学和磁学等领域广泛的应用前景。ZnS是具有最大直接禁带宽带的Ⅱ-Ⅵ族化合物,室温下其禁带宽度为3.7 eV,是目前已经广泛应用的一种宽禁带半导体材料。作为多组分Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的代表,ZnxCd1-xS固溶体可以成功的实现半导体能带从ZnS禁带宽度到CdS禁带宽度的连续转变,几乎覆盖整个可见光光谱范围。ZnO不仅是一种性能优异的半导体材料,还具有很好的抗菌性和生物相容性等,将ZnO纳米材料分散到聚合物中就可以得到兼有ZnO和聚合物性质的复合材料。 制备Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米材料及纳米复合材料,探索其生长机理,进而实现对其维度、尺寸和物性的调控,对于深入研究结构与物性的关联并最终实现依据人们的意愿设计合成功能材料具有重要意义。本论文正是基于此进行了较为系统的探索研究。 本工作成功的制备了ZnS纳米棒阵列,ZnxCd1-xS纳米片层树枝晶和ZnO纳米颗粒/PHBV复合纤维膜材。从产物的形貌,物相,分子结构,热性质,光电性能等角度分析研究,取得了以下的主要研究成果: 1.本研究采用水热法合成ZnS纳米棒阵列,要求的反应条件远远低于常见的水热法的报道。反应中仅使用水作为溶剂,反应温度为95℃,时间为1 h。水热合成的ZnS纳米棒根部直径约30 nm,长度可达微米量级,在Zn纳米晶表面上呈有序的阵列排列。在本实验中设计了对照组,详细研究了各种反应条件(水热反应时间,反应物的起始浓度,水热溶液pH值,产物生长的基板等)对于产物形貌的影响。本工作侧重于水热法制备ZnS一维纳米材料有序结构的合成设计以及纳米棒阵列的形成机制等方面的探索研究。对于产物光致发光性能的研究也表明了其在光电方向的可能应用,有可能用于未来的蓝光发光器件。 2.在本研究中,采用水和乙二胺作为混合溶剂,在95℃的温度下反应1 h,合 成了ZnxCd1-xS纳米片层树枝晶。产物的主干是常规的树枝晶,长度可达10μm左右;主干上有侧枝有序生长;而这些侧枝则是由规则的正六边形片层组成。这是一种以前未见报道过的纳米材料的形态,因此本工作侧重于对于该特殊结构生长机理的研究。实验中设计了反应物中Zn源和Cd源不同配比的对照得到了不同成分的的固溶体,尝试解释该水热反应中ZnxCd1-xS纳米片层树枝晶的形成过程。产物固溶体的紫外-可见吸收光谱表明,本工作成功的实现了ZnxCd1-xS纳米片层树枝晶的能带调控。 3.ZnO纳米颗粒一直是Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米材料研究的热点所在,聚(羟基丁酸-共-戊酸酯)(PHBV)也是聚羟基脂肪酸酯的代表,在现有的文献中鲜见关于此二者所形成的复合材料的报道。本研究通过两步:首先采用溶胶凝胶法合成ZnO纳米粒子,再对ZnO纳米粒子/PHBV混合溶液进行电纺丝。未对ZnO进行表面修饰,未使用任何分散助剂,得到了ZnO纳米颗粒/PHBV复合纤维膜材。在PHBV含量为4 wt%(相比于电纺丝溶液)的电纺丝纤维中,1 wt%的ZnO(相比于PHBV)在聚合物基体中分散良好。 4.对于电纺丝ZnO纳米颗粒和PHBV这种新颖的制备和组合,本工作基于红外光谱和示差扫描热分析测试,探讨了无机相(ZnO纳米颗粒)和有机相(PHBV)之间的相互作用。ZnO纳米颗粒表面的羟基和PHBV的羰基之间的氢键作用正是ZnO纳米颗粒在电纺丝纤维中良好分散的原因所在。另外在电纺丝过程中ZnO纳米颗粒对于PHBV的结晶行为也有一定的影响,起到了降低PHBV结晶速度,阻碍其结晶的作用。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.1

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