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低维纳米复合材料结构物性及ZnO:N中Zn-N定域结构和热稳定性研究

李兴华  
【摘要】: 本论文以静电纺丝技术为基础,基于相分离原理实现了单管电纺连续纳米管材料、与溶胶凝胶、气相输运方法、氮化法结合制备了ZnO基低维复合纳米结构材料及III-V族共掺及合金材料,研究了ZnO基低维复合纳米结构、III-V族共掺及合金材料以及ZnO:N薄膜的结构和发光性质,具体工作如下: 基于相分离原理实现单管电纺连续纳米管材料。通过控制乙醇对挥发过程的影响,TEOS对相分离过程的影响,以及纺丝电压对弯曲和拉伸过程的影响,可以调控PVP/TEOS连续纳米管结构的直径,壁厚,以及二者的比。通过在空气中煅烧PVP/TEOS连续纳米管至600oC获得SiO_2纳米管,通过Mg蒸汽还原法成功的制备了硅纳米管。该方法是大面积制备PVP/TEOS复合纳米管及硅纳米管的有效方法。这些一维纳米管材料有可能应用于传感器、过滤器、锂离子电池负极材料、以及太阳能电池材料等领域。 通过单管电纺技术制备出单分散ZnO量子点于PVP复合纳米管壁中。由于量子点的高度分散性,以及PVP分子对量子点表面缺陷的钝化作用,光致发光和共振拉曼谱展现了较窄的带边发射和较弱的激光热效应。观察到了由于量子限域效应所导致的带隙的蓝移,激子束缚能的增加,以及激子声子相互作用的弱化。利用气相输运沉积方法制备出一维SiO_2/ZnO核壳纳米结构材料。室温和低温的发光光谱表明ZnO纳米壳层的质量较好。其发光的反常温度效应表明界面对ZnO的纳米结构的发光有显著影响。 通过电纺及氨气氮化技术制备了N-In共掺杂ZnO纳米纤维。通过退火改善了氮化后样品的结晶质量,减少了缺陷密度,提高了可见光响应性能,使得共掺杂的ZnO在类太阳光谱照射下能够降解罗丹明B染料。研究了氮化ZnO/ZnGa_2O_4复合纳米纤维过程中(Ga_(1-x)Zn_x)(N_(1-y)O_y)合金纳米结构的形成与演化。由于纳米结构的原因,合金的形成温度显著降低,既保证了氮原子的引入,同时又确保了锌原子的低损失率。325 nm激光激发的拉曼光谱表现出双模的行为,可以用于估计(Ga_(1-x)Zn_x)(N_(1-y)O_y)合金组分的比例。研究表明通过共掺杂及合金化的方法可以调控ZnO的电子结构拓展其在可见光催化、分解水方面的应用。 研究了ZnO:N薄膜的发光性质和微结构的稳定性。紫外区的与受主相关的发射说明氮元素确实能够起到受主的作用。蓝光和绿光发射在82K、低激发密度时占主导作用,可能是由施主向价带跃迁导致的。红光发射随温度和激发密度的升高呈现蓝移,可能是源于深施主受主对发射。表明氮进入ZnO晶格中除了受主作用外还可能引起一些深的施主缺陷。变温XPS研究了ZnO:N薄膜的微结构及热稳定性,分析表明位于396和398 eV的峰可能分别来自富氮和富氧环境中的氮替氧(β-和α-NO)。与β-NO相比,作为浅受主的来源α-NO可以稳定到723 K。


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