硫化锌纳米材料的液相合成及其机理分析

论文摘要

纳米科技是21世纪信息时代的核心,而纳米材料学是纳米科技的基石与核心。纳米材料因电子的波动性和原子之间的相互作用受到纳米尺度的影响,使其具有优良的独特性质,引起了广泛关注和深入研究。纳米结构的ZnS是一种直接宽带隙半导体化合物,有低温相的闪锌矿（sphalerite）结构和高温相的纤锌矿（wurtzite）结构两种晶体结构,闪锌矿（立方）结构ZnS的带隙能是3.72eV,而纤锌矿（六方）结构为3.77eV; ZnS具有优异的光电性能,发黄、绿两种基色光,在光电调节器、光传导器、光感应器、光催化等光学装置方面有着良好的应用前景,成为目前材料科学研究的热点。本文采用水热法和均匀沉淀法,以乙酸锌为锌源,分别以硫代硫酸钠、CS2和硫脲为硫源,制备了粒度均匀、形貌规则的ZnS产品。（1）采用低温水热法,以乙酸锌和硫代硫酸钠为原料,十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂,在120℃下制备了分散性较好、粒子大小均匀的立方相硫化锌微米球。结果表明,硫化锌微球的制备过程对温度较敏感,但反应12h后,再延长反应时间对产品的粒径和结晶度影响不大；表面活性剂的加入可以提高产品的球形度,并可改善粒子的分散性；在红外区域内,存在Zn-S键的特征吸收峰。本方法制备硫化锌的原理清晰,工艺简单,所得产品质量较高,具有很高的现实应用性。（2）在较低温度下,以两亲分子十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂,利用乙酸锌和CS2、乙二胺的乙醇溶液,采用均匀沉淀法,合成了纳米空心球结构的ZnS产品,空心球直径为100nm,壁厚为30nm。产品为立方相结构,纯度较高,粒子大小均匀,粒度分布较窄；产品在1132cm-1、655cm-1处现在Zn-S的红外特征吸收峰；ZnS纳米空心球在226nm处出现一强紫外吸收峰,与块体材料相比有118nm的蓝移,体现了ZnS产品的量子尺寸效应；中间产物H2S气体不仅提供硫源,而且作为反应的软模板,粒子围绕软模板的定向堆积形成空心球结构的ZnS产品；分析了ZnS空心球形成过程中反应时间、反应温度和搅拌速度等因素对产品形貌的影响,发现在50℃下低速搅拌恒温反应2h为该实验中ZnS纳米空心球较优的合成条件。（3）以乙酸锌和硫脲为原料,采用水热法在较低温度下合成了实心球结构的立方相ZnS,产品结晶度高、粒度分布较窄；同时以硝酸银为掺杂剂,在相同条件下合成了Ag掺杂的ZnS微球（ZnS:Ag）。结果显示,掺杂可细化ZnS:Ag晶粒,获得较大粒径的ZnS:Ag产品；掺杂产品ZnS:Ag在613cm-1处出现Ag-S化合键的红外特征吸收峰,表明Ag嵌入ZnS的晶格中取代Zn格点位置,但因粒子粒径在微米级,故Ag掺杂ZnS产品在紫外可见光范围内没有吸收；掺杂和未掺杂的产品ZnS均在473nm处出现一宽的光发射峰,可分别归属于硫空位和银空穴的电子陷阱施主与银相关的空穴陷阱受主之间的复合发光和硫空位引起的缺陷能级发光。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米科技和纳米材料概述
• 1.1.1 纳米科技概述
• 1.1.2 纳米材料概述
• 1.2 纳米材料特性及应用
• 1.2.1 小尺寸效应
• 1.2.2 表面效应
• 1.2.3 量子尺寸效应
• 1.2.4 宏观量子隧道效应
• 1.3 纳米材料合成方法
• 1.3.1 水（溶剂）热法
• 1.3.2 溶胶-凝胶法
• 1.3.3 化学气相沉积法
• 1.3.4 微乳液法
• 1.4 纳米材料的分析表征
• 1.4.1 粒度分析
• 1.4.2 形貌分析
• 1.4.3 成分分析
• 1.4.4 结构分析
• 1.4.5 表面与界面分析
• 1.5 本论文的主要内容及意义
• 1.5.1 本论文的主要内容
• 1.5.2 本论文的研究意义
• 第二章 低温水热法合成均匀单分散ZnS微球
• 2.1 引言
• 2.2 水热法制备ZnS微球
• 2.2.1 实验原料与仪器
• 2.2.2 样品的制备
• 2.2.3 样品的分析表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 样品的XRD分析
• 2.3.2 样品的形貌分析
• 2.3.3 反应过程因素影响分析
• 2.3.3.1 反应时间的影响
• 2.3.3.2 反应温度的影响
• 2.3.4 样品的红外光谱分析
• 2.4 小结
• 第三章 纳米ZnS空心球的制备及性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 均匀沉淀法制备纳米ZnS空心球
• 3.2.1 实验原料与仪器
• 3.2.2 样品的制备
• 3.2.3 样品的分析表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 样品的XRD分析
• 3.3.2 样品的形貌分析
• 3.3.3 反应过程影响因素分析
• 3.3.3.1 反应温度的影响
• 3.3.3.2 过程搅拌的影响
• 3.3.3.3 反应时间的影响
• 3.3.4 反应机理和生长机理分析
• 3.3.5 样品的红外光谱分析
• 3.3.6 样品的紫外可见光光谱分析
• 3.4 小结
• 第四章 Ag掺杂ZnS微米球的合成与表征
• 4.1 引言
• 4.2 水热法制备ZnS:Ag微米球
• 4.2.1 实验原料与仪器
• 4.2.2 样品的制备
• 4.2.3 样品的分析表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 样品的XRD分析
• 4.3.2 样品的形貌分析
• 4.3.3 样品的红外光谱分析
• 4.3.4 样品的光学性质分析
• 4.3.4.1 样品的紫外可见光光谱分析
• 4.3.4.2 样品的荧光光谱分析
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辫情况表