过渡金属氧族化合物半导体纳米材料的制备及相关性质研究

论文摘要

过渡金属氧族化合物纳米材料因具有特殊的光、电、热、磁等性质而成为化学、材料、物理等科学研究与探索的重要方向之一。本文在大量文献调研的基础上,采用水热、溶剂热、蒸发结晶等多种合成方法成功制备出不同形貌的过渡金属氧族化合物纳米材料。分别用X射线电子衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨电子显微镜（HRTEM）、荧光分光光度计（PL）和电化学分析仪等手段对产物进行了表征。对生成产物的反应条件和反应机理进行了探讨,并研究了这些材料相关的光学及传感性质。主要研究内容如下:（1）在前期研究工作基础上,采用液固相反应制备出更整齐的Cu（OH）2纳米结构阵列薄膜;设计了苯热湿法转换的方法,将前驱体Cu（OH）2纳米结构阵列转化为氧化铜纳米结构阵列,阵列中管和棒的表面上生长了一层新颖的纳米片阵列。（2）将制备Cu（OH）2纳米结构阵列的反应体系置于水热条件下反应,制备出了由纳米片组装成的三维CuO纳米花结构。（3）通过以水和乙醇混合溶液为溶剂的溶剂热反应,让单质锌与原位生成的单质硫反应制备出直径约100nm的立方相ZnS空心球,空心球的壳是由超细纳米粒子组装形成的;以水为溶剂,用与溶剂热同样的反应物在常温下反应制备出了直径约400nm的立方相ZnS实心纳米球。这些ZnS实心球表面有许多线状的微结构。（4）利用二硫化碳与水不混溶的特点,设计了油相为溶解单质硫的二硫化碳溶液、水相为金属盐水溶液的油-水界面反应体系,制备出了具有不同微/纳结构的系列金属硫化物,如CdS、PbS和CuS枝晶、ZnS微米球和Ag2S花生状纳米球结构等,证实了该合成方法具有较好的通用性。（5）首次将蒸发结晶技术应用于金属硫属化合物纳米材料的制备,成功制备出系列过渡金属硫属化合物纳米线,主要包括:Cu7S4,Cu2-xSe,FeS2和Ag2Se纳米线。其中CU7S4纳米线长达几百微米,直径在50-100nm之间。研究发现,水溶剂的蒸发过程对一维硫属化合物纳米材料的形成起重要作用。实验结果证明这种水溶剂蒸发结晶方法是一种制备一维过渡金属硫属化合物的通用而简单的方法。（6）根据传感测试基本原理,分别设计了电阻型传感器和荧光型传感器测试系统,对蒸发结晶所制备出的超长硫化铜纳米线进行了氨气气敏和水汽湿敏传感性质测试研究,发现这两种传感器对氨气和水汽都有很高的灵敏度、响应和恢复时间短、重复性好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 前言
• 1.1 过渡金属氧族化合物半导体纳米材料概述
• 1.1.1 半导体纳米材料概述
• 1.1.2 过渡金属氧化物半导体纳米材料概述
• 1.1.3 过渡金属硫属化合物半导体纳米材料概述
• 1.2 过渡金属氧化物半导体纳米材料的制备及性质研究进展
• 1.2.1 一维过渡金属氧化物半导体纳米材料的制备及性质研究进展
• 1.2.2 二维过渡金属氧化物半导体纳米材料的制备及性质研究进展
• 1.2.3 三维过渡金属氧化物半导体纳米材料的制备及性质研究进展
• 1.3 过渡金属硫属化合物半导体纳米材料的制备及性质研究进展
• 1.3.1 低维过渡金属硫属化合物半导体纳米材料的制备研究进展
• 1.3.2 三维组装结构过渡金属硫属化合物半导体纳米材料的制备研究进展
• 1.3.3 过渡金属硫属化合物半导体纳米材料的相关性能研究进展
• 1.4 本课题的提出与研究意义
• 第二章 氧化铜纳米结构阵列的制备及性质研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程及分析测试
• 2.2.1 化学试剂及实验仪器
• 2.2.2 基底预处理
• 2纳米结构阵列的制备'>2.2.3 一维Cu（OH）₂纳米结构阵列的制备
• 2.2.4 干法转化制备一维CuO纳米结构阵列
• 2.2.5 湿法转化制备一维CuO纳米结构阵列
• 2.2.6 三维花状氧化铜纳米结构的制备
• 2.2.7 材料表征
• 2.3 实验结果和讨论
• 2纳米结构阵列的有序生长条件'>2.3.1 前驱体Cu（OH）₂纳米结构阵列的有序生长条件
• 2.3.2 干法转化制备的CuO纳米结构阵列
• 2.3.3 湿法转化制备的CuO纳米结构阵列
• 2.3.4 三维花状氧化铜纳米结构
• 2.4 本章小结
• 第三章 硫化锌纳米空心球的制备及其光学性质研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程及分析测试
• 3.2.1 化学试剂及实验仪器
• 3.2.2 硫化锌空心球的制备
• 3.2.3 材料表征
• 3.3 实验结果和讨论
• 3.3.1 ZnS纳米空心球的表征
• 3.3.2 ZnS纳米空心球的形成机理
• 3.3.3 ZnS纳米空心球的光学性质
• 3.3.4 反应条件对产物形貌的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 油-水界面反应制备不同微/纳结构的系列过渡金属硫化物
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程及分析测试
• 4.2.1 化学试剂及实验仪器
• 4.2.2 样品的制备
• 4.2.3 材料表征
• 4.3 实验结果和讨论
• 4.3.1 表征
• 4.3.2 形成机理
• 4.3.3 光学性质
• 4.4 本章小结
• 第五章 蒸发结晶法制备一维过渡金属硫属化合物纳米线
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程及分析测试
• 5.2.1 化学试剂及实验仪器
• 5.2.2 样品的制备
• 7S₄纳米线的制备'>5.2.2.1 铜粉为原料用于Cu₇S₄纳米线的制备
• 7S₄纳米线的制备'>5.2.2.2 其它原料用于Cu₇S₄纳米线的制备
• 2-xSe纳米线的制备'>5.2.2.3 Cu_2-xSe纳米线的制备
• 2Se纳米线的制备'>5.2.2.4 Ag₂Se纳米线的制备
• 2和Bi₂S₃纳米线的制备'>5.2.2.5 FeS₂和Bi₂S₃纳米线的制备
• 5.2.3 材料表征
• 5.3 实验结果和讨论
• 7S₄纳米线'>5.3.1 铜粉为铜源制备的Cu₇S₄纳米线
• 7S₄纳米线的形成机理'>5.3.2 Cu₇S₄纳米线的形成机理
• 5.3.3 硫化铜的光学性质
• 7S₄纳米线'>5.3.4 铜盐为铜源制备的Cu₇S₄纳米线
• 2-xSe、Ag₂Se、FeS₂和Bi₂S₃纳米线'>5.3.5 蒸发结晶法制备的Cu_2-xSe、Ag₂Se、FeS₂和Bi₂S₃纳米线
• 5.4 本章小结
• 第六章 纳米结构硫化铜的气/湿敏传感性质
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程及分析测试
• 6.2.1 实验仪器
• 6.2.2 样品的制备
• 6.2.2.1 电阻型传感器
• 6.2.2.2 荧光型传感器
• 6.2.3 样品的测试
• 6.2.3.1 电阻型传感
• 6.2.3.2 荧光型传感
• 6.3 实验结果和讨论
• 6.3.1 电阻型传感
• 6.3.1.1 氨气传感
• 6.3.1.2 湿度传感
• 6.3.2 荧光型传感
• 6.3.2.1 氨气传感
• 6.3.2.2 湿度传感
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录 博士期间完成的论文