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ZnO和ZnS一维纳米材料的合成与微观结构

武祥  
【摘要】: 本文采用热蒸发气相沉积的方法合成了ZnO和ZnS一维纳米材料。利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜研究了合成产物的形貌和微观结构,阐明了生长参数对ZnO和ZnS一维纳米结构的影响规律,揭示了几种特殊纳米结构的生长机制,并研究了部分纳米材料的荧光特性、场发射特性及亲疏水特性。 通过调整实验参数,如压强、反应温度、衬底类型、源材料种类和比例等,利用气相沉积的方法合成了多种ZnO和ZnS一维纳米结构。 用ZnS和碳粉为源材料,锌片作衬底,在900℃合成了ZnO塔状一维纳米结构。衬底类型和衬底温度对产物形貌有着重要的影响,锌衬底促进锌微米球前驱体进一步氧化成塔状的纳米结构。在其它参数不变的情况下,用硅片和钨片等作衬底则不能形成这种结构。用镀有10nm金膜的硅片作衬底,在900℃合成了ZnO环状纳米结构。这种结构的形成是极表面诱导的静电能和弯曲诱导的弹性能共同作用的结果,同时构成环的纳米带的厚度也是一个重要的因素。用金包敷的硅片作衬底,在1020℃合成了ZnO螺旋纳米结构。催化剂和ZnO纳米带界面处的堆剁层错导致了螺旋结构的形成。这种堆剁层错是由于金催化剂粒子移动过程中的局部扰动所导致,堆剁层错的形成导致界面处产生一个非零扭矩,诱导一个非对称生长的前端。进一步反应和自催化辅助生长导致了ZnO纳米螺旋的形成。 用ZnS和碳粉的混合粉末作为源材料,在900℃合成ZnO-ZnS异质环状纳米结构。合成纳米环的内边缘有大量的齿存在,纳米环的平均厚度50纳米,宽度100纳米。当厚度超过100纳米时,构成环的纳米带将不会弯曲。合成的异质环状结构是由ZnS和ZnO晶格失配产生的应变所引起,即由于硫化锌的晶格大于氧化锌,在氧化锌和硫化锌晶体界面,氧化锌将产生拉伸张力而硫化锌则产生收缩张力,从而导致整个氧化锌纳米带/硫化锌纳米带/氧化锌纳米齿带状异质结构向有齿的一边弯曲,形成奇特的带状异质结齿轮结构。 在1020℃,用简单的热蒸发ZnS粉末的方法在硅衬底上合成了锯齿状ZnS纳米结构。衬底温度对合成产物的形貌有重要影响,高温适合纳米带生长,低温适合纳米锯生长。由于不同的晶面表面化学活性的不同,导致纳米梳沿着(0001)Zn极性面的二次生长。在1100℃用ITO玻璃做衬底,合成了鱼骨状ZnS纳米结构,其主干长达几微米到十几微米,两边均匀分布大量的纳米棒,直径50到100nm,平均长度为500nm。


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