氧化锌纳米棒的低温溶液合成与光学性能研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种重要的II-VI族直接宽带隙半导体材料（其禁带宽度为3.37eV）,在室温下具有较大的激子束缚能（60 meV）,能在室温及更高温度下产生近紫外的短波激子发光。具有半导体、压电、光电、焦热电、透明导电、气敏、压敏等多重特性。随着宽带隙半导体物理的发展和纳米科学技术带来的材料性能的奇特变化,一维ZnO纳米结构材料的制备及其相关技术研究已成为ZnO研究中一个热点。合成氧化锌一维纳米结构的方法很多,目前大多采用气相法,液相法采用的较少。基于各种方法在制备过程中存在的问题,本文采用一种工艺简单、操作方便、反应条件温和、无污染的湿化学法,以ZnCl2和NaOH为原料直接在水浴锅中反应合成氧化锌纳米棒。目前的湿法合成过程中大多都添加不同类型的表面活性剂,本研究根据合成过程中是否加入表面活性剂分成两组进行试验,特别是不加表面活性剂的研究鲜有报导。通过对纳米氧化锌制备工艺条件的研究,探索出了适宜的制备工艺及合成条件;借助XRD、TEM等测试手段,发现了反应条件及其参数的变化对纳米氧化锌的结晶性能、形貌及粒度等的影响规律;并最终确定了制备所需形貌适宜的工艺流程及相应的工艺参数。试验研究表明:无论是否添加表面活性剂,合成过程中的反应温度、反应时间、反应物起始浓度和反应物浓度比对制备过程有着较大的影响。通过调整工艺参数,最终合成出了结晶性能良好、形貌统一、尺寸分布均匀、直径为30～36nm、长度为520～600nm的一维氧化锌纳米棒。ZnO作为极性晶体,具有极性生长特性。根据试验结果,结合晶核形成与生长理论,探讨了氧化锌的生长过程,利用负离子配位多面体生长基元理论,解释了一维氧化锌纳米棒的合成形成机理。对合成的ZnO样品进行了室温光致发光和拉曼光谱的研究,研究发现,样品在386nm～392nm附近有一个最强的近紫外发射峰,来自于自由激子的复合;在440nm～442 nm有一微弱的蓝光发射峰,可能主要来源于锌填隙原子缺陷能级与价带顶能级间的跃迁;最强的拉曼散射峰位于431 cm-1处,这是六角形结构ZnO的一个典型的拉曼散射峰,可归结于非极性的E2声子振动模。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 纳米科技与纳米材料
• 1.1.2 纳米材料的特性
• 1.2 纳米氧化锌的特性及其用途
• 1.2.1 纳米氧化锌的特性
• 1.2.2 纳米氧化锌的用途
• 1.3 纳米氧化锌的研究现状及存在问题
• 1.3.1 纳米氧化锌制备方法综述
• 1.3.2 制备理论研究现状
• 1.3.3 存在问题及研究方向
• 1.4 本研究的选题意义和主要内容
• 2 试验与表征
• 2.1 试验方法的确定
• 2.2 试验步骤
• 2.3 试验仪器
• 2.4 试验原料
• 2.5 试验工艺流程
• 2.6 试验条件的确定
• 2.7 样品测试与表征
• 3 使用表面活性剂时氧化锌纳米棒的合成
• 3.1 表面活性剂介绍
• 3.2 表面活性剂胶团化过程
• 3.3 表面活性剂胶团类型
• 3.4 表面活性剂胶团在纳米材料制备中的作用
• 3.4.1 控制纳米微粒大小及形状
• 3.4.2 降低表面能
• 3.4.3 静电作用
• 3.5 使用 CTAB 制备氧化锌纳米棒的条件试验
• 3.5.1 反应温度的影响
• 3.5.2 反应起始浓度的影响
• 3.5.3 反应时间的影响
• 3.5.4 锌碱离子浓度比的影响
• 3.5.5 CTAB 添加量的影响
• 3.6 不同表面活性剂对合成样品的影响对比
• 3.7 小结
• 4 无表面活性剂时氧化锌纳米棒的合成
• 4.1 反应温度的影响
• 4.2 反应物起始浓度的影响
• 4.3 反应时间的影响
• 4.4 锌碱离子浓度比的影响
• 4.5 小结
• 5 液相合成一维纳米结构氧化锌机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 一维 ZnO 纳米结构的成核、生长机理
• 5.2.1 ZnO 晶体的结构
• 5.2.2 ZnO 晶体的生长习性
• 5.2.3 ZnO 晶体的成核、生长机理
• 6 光学性能分析
• 6.1 引言
• 6.2 拉曼光谱
• 6.2.1 拉曼散射
• 6.2.2 拉曼光谱的特征谱带及强度
• 6.2.3 拉曼光谱的特点与应用
• 6.3 发光机制的介绍
• 6.3.1 紫外光的发光机制
• 6.3.2 可见光的发光机制
• 6.3.3 绿光的发光机制
• 6.3.4 红光、橙光、黄光和紫光发光机理
• 6.4 纳米结构氧化锌发光性能分析
• 6.4.1 荧光光谱分析
• 6.4.2 拉曼光谱分析
• 6.5 小结
• 7 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文