纳米硫化锌表面修饰及性能研究

论文摘要

ZnS是具有大直接带隙的Ⅱ-Ⅵ族半导体化合物,室温下其禁带宽度为3.68ev。当纳米ZnS粒子的粒径小于其激子波尔半径（5nm）时,它能够呈现出明显的量子尺寸效应,同时会出现吸收边和荧光峰的蓝移,人们通过对纳米ZnS粒子的粒径大小、粒径分布控制,可以得到具有不同光学性质的材料。因此,对纳米ZnS材料的研究制备具有重大意义和应用前景。纳米ZnS由于粒径小、表面能大等因素易引起团聚问题,另一方面ZnS的水溶性差,难以运用于生物医学领域。为此需要对ZnS粉体表面进行修饰,以解决团聚和相容性问题。纳米粉体的表面修饰通常采用物理、化学方法对粒子表面进行处理,有目的地改变粒子表面的物理化学性质,如表面原子层结构和官能团、表面疏水性、电性、化学吸附和反应特性等,以满足纳米粉体加工及应用需要。本论文采用水热法制备ZnS,同时利用复合型表面活性剂（油酸/十二烷基硫酸钠、硬脂酸/十二烷基硫酸钠）对纳米ZnS表面进行修饰,改善纳米ZnS的水溶性和颗粒团聚的现象。该方法制得的纳米ZnS粒径尺寸小,颗粒分部均匀的且发光性能好,总结如下:1.以油酸/十二烷基硫酸钠为表面活性剂对ZnS颗粒进行表面修饰,制备出ZnS的球形颗粒。同时对发光性能的影响因素:油酸用量、十二烷基硫酸钠用量、反应温度、反应时间、pH值进行探讨,采用正交实验,以荧光强度性能为指标得出最佳工艺参数,各影响因子的影响程度且油酸用量对ZnS的表面修饰有决定性的影响。采用XRD、TEM、PL、UV-Vis对制备的样品进行表征,实验表明表面活性剂油酸/十二烷基硫酸钠的加入可以有效地解决颗粒团聚问题,制备出发光性能良好的ZnS粉体;并对最佳工艺条件下制备的ZnS颗粒二次修饰,最终获得水溶性好的纳米ZnS球形颗粒。接触角测量仪的测试证明了水溶性确实得到很大改善。2.以硬脂酸/十二烷基硫酸钠为表面活性剂对ZnS颗粒进行表面修饰,并对影响发光的各因素:硬脂酸用量、十二烷基硫酸钠用量、反应温度、反应时间、pH值工艺条件进行探讨,采用正交实验,以荧光强度性能为指标得出最佳工艺参数及水热反应温度为最大影响因素。并用XRD、TEM、PL、UV-Vis对制备的样品进行表征,表明所得产物为球形,粒径尺寸纳米级、颗粒均匀分布、发光性能良好,成功地将硬脂酸修饰于颗粒表面。对最佳工艺条件下制备的ZnS粉体的水溶性进行探讨,用接触角测量仪所作的对比试验,直观的反映了由表面活性剂修饰过的ZnS颗粒水溶性较不添加表面活性剂时为优。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 绪论
• 1.1 半导体纳米材料与纳米量子点
• 1.2 纳米硫化锌
• 1.3 水热法制备纳米硫化锌
• 1.3.1 水热合成法
• 1.3.2 水热反应动力学及晶体生长机理
• 1.3.3 水热法与传统的无机材料的制备方法的优点
• 1.4 纳米材料的表面修饰
• 1.4.1 纳米材料的表面效应
• 1.4.2 纳米粉体的表面改性
• 1.4.3 纳米硫化锌的表面修饰
• 1.4.4 ZnS 表面修饰及生物荧光探针
• 1.5 主要研究内容及关键问题
• 1.5.1 论文的选题依据
• 1.5.2 论文的研究内容
• 1.5.3 拟解决的关键技术问题
• 2 实验
• 2.1 实验仪器
• 2.2 产品的性能表征
• 2.2.1 X 射线衍射（XRD）分析
• 2.2.2 室温光致发光（PL）测试
• 2.2.3 透射电镜（TEM）分析
• 2.2.4 紫外吸收光谱（UV-Vis）分析
• 2.2.5 接触角测试
• 2.3 正交实验设计
• 3 油酸/十二烷基硫酸钠体系硫化锌的制备与性能表征
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 水热法制备硫化锌
• 3.3 正交实验对制备工艺的研究
• 3.3.1 正交实验设计
• 3.3.2 正交实验结果分析
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 样品物相分析
• 3.4.2 TEM 形貌分析
• 3.4.3 主要工艺参数的讨论及发光性能分析
• 3.4.3.1 油酸的用量对ZnS 颗粒发光性能的影响
• 3.4.3.2 水热反应温度的影响
• 2 包覆'>3.5 硫化锌纳米颗粒的SiO₂包覆
• 2 颗粒的制备'>3.5.1 ZnS/SiO₂颗粒的制备
• 2 颗粒性能表征'>3.5.2 ZnS/SiO₂颗粒性能表征
• 2 颗粒发光性能'>3.5.2.1 ZnS/SiO₂颗粒发光性能
• 2 颗粒水溶性'>3.5.2.2 ZnS/SiO₂颗粒水溶性
• 3.6 本章小结
• 4 硬脂酸/十二烷基硫酸钠体系硫化锌的制备与性能表征
• 4.1 前言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 水热法制备硫化锌粉体
• 4.3 正交实验对制备工艺的研究
• 4.3.1 正交实验设计
• 4.3.2 正交实验结果分析
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 样品的物相和形貌分析
• 4.4.2 主要工艺参数的讨论及其发光性能分析
• 4.4.2.1 水热反应温度的影响
• 4.4.2.2 pH 值的影响
• 4.4.2.3 硬脂酸的用量对ZnS 颗粒发光性能的影响
• 4.4.3 最佳工艺条件下样品的水溶性的讨论
• 4.5 本章小结
• 5 复合型表面活性剂对硫化锌颗粒性能影响
• 5.1 复合型表面活性剂对硫化锌颗粒的作用机理
• 5.2 复合型表面活性剂对硫化锌颗粒制备工艺的影响
• 5.3 复合型表面活性剂对硫化锌颗粒量子效应的影响
• 5.4 复合型表面活性剂对硫化锌颗粒水溶性的影响
• 6 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文