不同形貌ZnO纳米结构的制备及其发光性能研究

论文摘要

氧化锌(ZnO)是一种重要的直接宽带隙半导体无机材料,具有六角形纤锌矿晶体结构,室温下的带隙宽度约为3.37eV,激子结合能高达60meV。纳米ZnO表现出与体材料明显不同的电学、磁学、光学等性质,这些性质与材料的组成、尺寸大小以及维度和结构密不可分。ZnO纳米结构材料由于在光电子器件和传感器等方面的广阔的应用前景,正受到人们的广泛关注。本文主要利用高分子模板法和水热法制备出了具有各种形貌的ZnO纳米结构材料。运用各种表征和测试技术例如扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、光致发光光谱(PL)对所制备的ZnO纳米结构材料进行了分析研究。研究结果如下:(1)以高分子聚合物聚乙烯醇(PVA)为软模板制备出了具有球形形貌的ZnO超细粉体。PVA作为模板剂,在高温退火过程中对ZnO结晶和晶体生长起到网络限域的作用。研究结果表明,PVA浓度和热退火温度是材料合成的关键因素。在合适的制备条件下,可以得到大小在1~3μm,形貌规整,表面圆滑的球形ZnO。这种结构的材料具有优异的紫外发光性能,光致发光光谱表明在385nm处出现了一较强的发射峰。(2)同样采用PVA模板,通过PVA与乙酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)之间发生的离子络合反应,在PVA亚浓溶液所提供的空间位阻力作用下,经过烧结,在玻璃基底上获得了直径在15~50nm之间的呈放射状簇形排列的ZnO纳米柱。对其生长机理进行了详细研究。研究表明,在ZnO优先取向生长特性影响下,ZnO晶核沿径向各向异性生长,由于ZnO纳米晶晶面的吸附作用和各族晶面生长速率的比例受到影响,同族晶面得不到同等的发育,最终形成呈簇形排列的纳米柱。结果显示,随温度从400oC增加到700 oC,ZnO纳米柱结晶度得到改善,生长趋势总体趋于明显,形貌的规整性也明显变好。随着温度升高,ZnO发光性能也在逐渐改善,PL光谱曲线在354nm处出现了少见报道的较强的紫外发射峰。(3)通过水热法,以硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和六亚甲基四胺(HMT)为原料在玻璃基底上生长出ZnO纳米和微米棒。分析了其生长机制,研究认为,ZnO纳米和微米棒生长时物理化学条件(水热条件)不同,影响到晶核的形成和晶体的生长,从而导致结晶形态有所不同。实验发现,反应物浓度和水热反应时间对于ZnO微纳米棒形貌结构的影响很大。光致发光光谱研究表明,合适条件下所得到的产物在386nm处出现了较强的紫外发射。(4)利用溶胶凝胶法在玻璃基底上制备一层ZnO晶种,然后再以水热法合成出了具有一定垂直取向性的ZnO纳米棒阵列。XRD证明纳米棒沿c轴生长。提高甩膜速率,在恰当的水热反应物浓度时,ZnO纳米阵列排布较为均匀,直径分布趋于一致。光学性能研究表明,纳米阵列在436nm(2.85eV)和520nm(2.38eV)处出现了较强的蓝光发射和绿光发射。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料和纳米结构概述
• 1.2.1 纳米材料和纳米结构基本概念及理论
• 1.2.2 纳米材料和纳米结构国内外研究及应用现状
• 1.3 纳米ZNO 材料特性及其研究进展
• 1.3.1 纳米ZnO 基本性质
• 1.3.2 纳米ZnO 的荧光特性
• 1.3.3 ZnO 纳米结构材料的制备技术
• 1.3.4 纳米ZnO 结构材料的主要研究热点
• 1.4 论文选题的目的、意义以及可行性分析
• 1.5 本实验研究的主要内容
• 第二章 高分子模板法制备ZNO 超细粉体及其表征
• 2.1 模板法概述
• 2.2 模板法分类
• 2.2.1 多空氧化铝模板（AAO）
• 2.2.2 二氧化硅模板
• 2.2.3 表面活性剂模板
• 2.3 高分子模板法
• 2.3.1 高分子金属络合物基本理论
• 2.3.2 聚乙烯醇基本性质
• 2.3.3 高分子模板法基本思路
• 2.4 ZNO 球形超细粉体的制备及表征
• 2.4.1 实验部分
• 2.4.2 结果与分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 高分子模板法制备ZNO 纳米柱及其表征
• 3.1 ZNO 纳米柱制备研究概况
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 X 射线衍射（XRD）分析
• 3.3.2 SEM 及TEM 形貌观察和形成机理分析
• 3.3.3 ZnO 纳米柱形成机理分析
• 3.3.4 光致发光（PL）光谱
• 3.4 本章小结
• 第四章 水热法制备ZNO 微纳米棒及其表征
• 4.1 水热法概述
• 4.1.1 水热反应特点
• 4.1.2 水热反应分类
• 4.1.3 水热法研究现状
• 4.2 ZNO 纳米棒的水热制备及表征
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 结果与分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 ZNO 纳米阵列的水热制备及表征
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 ZnO 籽晶的制备
• 5.1.2 ZnO 纳米阵列的制备
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 X 射线衍射分析
• 5.2.2 SEM 形貌分析
• 5.2.3 纳米阵列形成机理
• 5.2.4 光致发光（PL）光谱
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科研情况说明
• 致谢