电纺丝法制备ZnO纳米纤维及其性能研究

【摘要】： 在纳米结构基元的合成与性质表征的基础上,功能纳米器件的构筑和组装是纳米材料领域的最前沿阵地,它的实现不论对高科技的发展,还是日常生活都将产生重大而深远的影响。本论文以静电纺丝法构筑一维纳米结构思路为基础,控制制备了ZnO等功能性纳米纤维,并对其进行改性和组装,自下而上研究了工艺参数对纤维形貌的影响,纺丝装置对纤维定向排列和组装的控制,改性手段如掺杂和复合对纤维光学、电学、光催化等性能的调节,为探索多功能纳米纤维在纳米器件中的应用提供了实验和理论依据。 在研究了纺丝参数对纤维形貌影响的基础上,制备出尺寸均一的Al3+掺杂ZnO纳米纤维。Al离子作为施主掺杂,将ZnO纳米纤维的电导率提高了500倍,掺杂后的AZO在可见光波段内表现出光敏特性,灵敏度(光暗电流之比)达到20;不仅如此,在AZO纤维中还观察到了电双稳态特性。Al3+的掺杂还改变了ZnO的光致发光(PL)特性,使ZnO的吸收边及相应的紫外发射峰发生蓝移。 对ZnO-Ag复合纳米纤维的研究发现,Ag粒子的复合能促进光生电子-空穴对的分离,可大幅提高ZnO的光催化活性。Ag的高导电性使复合纤维的电导率提高约7个数量级,达到115 S·cm-1,且它随Ag的变化遵循渗流理论,并出现电学非线性行为。复合纤维的紫外光响应灵敏度高达17000,且响应速度较快。 以ZnO纳米纤维为模板,对其硫化分别得到ZnO-ZnS核壳结构和纯ZnS纳米纤维。ZnO-ZnS的核壳结构有利于光生载流子的分离,可提高光催化活性。ZnS纤维的发光特性与其缺陷,表面态及材料陷阱中获释的电子辐射有关。 以Li+为敏化剂,制备了Eu3+,Li+共掺ZnO纳米纤维。Eu3+进入ZnO晶格形成发光中心,中心波长位于614 nm、702 nm处的发射峰,分别对应于Eu3+自身能级的5D0→7F2和5D0→7F4的跃迁。 在ZnO体系研究的基础上,还制备了Sn4+掺杂In2O3(ITO)纳米纤维,发现掺杂后ITO的电导率最高可达~1 S·cm-1,较未掺前提高了7个数量级。此外,构筑了基于ITO纳米纤维的场效应管(FET),测试发现该器件属于n沟道耗尽型FET,其电子迁移率和开关比分别可达0.45 cm2/V s和1000。