准一维ZnO纳米材料的制备与表征

论文摘要

本文采用碳热还原和雾化辅助的热蒸发法制备了具有独特结构的准一维ZnO纳米材料,研究了碳热还原法制备条件对ZnO形貌的影响规律,阐明了其影响机理。采用雾化辅助的热蒸发法实现了准一维ZnO纳米材料的掺杂。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱和激光拉曼谱等系统研究了准一维ZnO的形貌、物相和表面化学结构,揭示了纳米车轮等特殊准一维ZnO纳米材料的生长机制。系统研究了准一维ZnO纳米材料的光学、电输运以及气敏特性,阐明了Pb和Sn掺杂对气敏性能的影响规律和机制。采用碳热还原热蒸发法,通过控制温度、载气流量、压强、原料配比和总质量等参数,获得了多种ZnO纳米结构,其中包括纳米线、纳米带、纳米梳、纳米锥、纳米空心球、纳米塔、纳米旗、纳米花、纳米花环和鱼骨状纳米梳等。在不加催化剂的条件下,制备出自催化生长的ZnO纳米阵列。采用雾化辅助的热蒸发法获得了ZnO纳米车轮,其生长机制是VS机制结合极性面控制机制共同作用:氧化锌纳米带存在Zn2+和O2-终结的表面,梳齿易在Zn2+终结面生长;随着梳脊长度的增加,一些梳脊横端面较小的纳米梳容易因为极性面产生的静电力而发生弯曲,最终形成纳米车轮。采用雾化辅助的热蒸发法,通过向雾化溶液中加入特定成分的掺杂溶质,分别实现了Sn、In和Pb等元素的掺杂,并获得一些特殊形貌的纳米结构,如Sn掺杂诱发生长出超长纳米梳;In掺杂诱发生长出纳米环;Pb掺杂则获得了纳米管。研究表明,纯ZnO纳米材料光致发光谱有很强的紫外发光和较弱的可见发光,Sn、In和Pb等掺杂后,紫外发光变弱而可见光增强,紫外光向低能方向有少量偏移,偏移量分别为45、22和16meV。I-V特性的测试表明沉积在Al电极表面的准一维ZnO纳米材料与Al电极形成肖脱基接触。由于半导体隧道效应,随着测试温度的升高,其电阻呈下降趋势,当温度超过200℃时,表面氧的物理吸附转为化学吸附,电阻下降趋势变缓。研究发现,Pb和Sn掺杂的ZnO纳米材料,促进了ZnO纳米材料表面氧吸附,显著提高对氧气和乙醇的灵敏度。当温度低于300℃时,未掺杂ZnO纳米材料对50ppm乙醇的灵敏度最大值为11,Sn和Pb掺杂后,灵敏度最大值分别提高到62和102。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO 的晶体结构和基本性质
• 1.3 准一维ZnO 纳米材料的典型形貌
• 1.4 准一维ZnO 纳米材料的制备
• 1.4.1 气固生长
• 1.4.2 气-液-固相生长
• 1.4.3 模板法生长
• 1.4.4 液相法
• 1.5 准一维ZnO 纳米材料的性能及应用
• 1.5.1 准一维ZnO 的传感性能及应用
• 1.5.2 准一维ZnO 的光学性能及应用
• 1.5.3 准一维ZnO 纳米材料的其它性能及应用
• 1.6 选题意义及主要研究内容
• 1.6.1 选题意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第2章 试验材料及方法
• 2.1 准一维ZnO 纳米材料制备
• 2.2 形貌及微观结构表征
• 2.3 性能测试
• 第3章 准一维ZnO 纳米材料的制备与形貌特征
• 3.1 引言
• 3.2 准一维ZnO 纳米材料的碳热还原制备与形貌特征
• 3.2.1 反应温度对产物形貌的影响
• 3.2.2 载气流量对产物形貌的影响
• 3.2.3 压强对产物形貌的影响
• 3.2.4 原料配比及总量对产物形貌的影响
• 3.2.5 碳热还原法制备准一维ZnO 纳米阵列
• 3.3 雾化辅助的热蒸发法制备准一维ZnO 纳米材料
• 3.4 雾化辅助的热蒸发法制备掺杂准一维ZnO 纳米材料
• 3.4.1 雾化辅助的热蒸发法制备Sn-ZnO 纳米材料
• 3.4.2 雾化辅助的热蒸发法制备In-ZnO 纳米材料
• 3.4.3 雾化辅助的热蒸发法制备Pb-ZnO 纳米材料
• 3.5 本章小结
• 第4章 准一维ZnO 纳米材料的微观结构与生长机理
• 4.1 引言
• 4.2 碳热还原法制备ZnO 纳米材料的微观结构
• 4.3 雾化辅助的热蒸发法制备纯ZnO 纳米材料的微观结构
• 4.4 雾化辅助的热蒸发法制备Sn-ZnO 纳米材料的微观结构
• 4.5 雾化辅助的热蒸发法制备In-ZnO 纳米材料的微观结构
• 4.6 雾化辅助的热蒸发法制备Pb-ZnO 纳米材料的微观结构
• 4.7 准一维ZnO 纳米材料生长机理
• 4.8 本章小结
• 第5章 准一维ZnO 纳米材料的性能
• 5.1 引言
• 5.2 准一维ZnO 纳米材料的光致发光
• 5.2.1 准一维纯ZnO 纳米材料的光致发光
• 5.2.2 准一维Sn-ZnO 纳米材料的光致发光
• 5.2.3 准一维In-ZnO 纳米材料的光致发光
• 5.2.4 准一维Pb-ZnO 纳米材料的光致发光
• 5.3 准一维ZnO 纳米材料的电输运特性
• 5.4 准一维ZnO 纳米材料的气敏特性
• 5.4.1 准一维ZnO 纳米材料的氢气气敏特性
• 5.4.2 准一维ZnO 纳米材料的乙醇气敏特性
• 5.4.3 准一维ZnO 纳米材料的气敏特性分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历