微波化学共沉淀法制备ZAO纳米粉体的研究

论文摘要

ZnO是宽禁带化合物半导体材料,其禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,具有一系列优异的光、电、磁、力学等性能,被广泛应用于涂料、橡胶、陶瓷、光催化等许多重要的领域。ZAO即掺铝氧化锌（Zinc Aluminum Oxide,简称ZAO）薄膜,以其优良的压电性能、透明导电性能等使其在太阳能电池、压电器件、表面声波器件、气敏元件等诸多领域得到广泛应用,并在紫外探测器、LED、LD等领域有着巨大的发展潜力。本论文采用微波化学共沉淀法,以ZnSO4-7H2O和A12（SO4）3·18H2O为原料,分别采用NaOH、NH3-H2O、（NH4）2CO3为沉淀剂,按ZnO:Al2O3（质量）=97：3制备了ZAO纳米粉体。通过实验,确定了pH值,Zn2+浓度,反应温度,反应时间等工艺参数对ZAO纳米粉体粒径的影响。并用TG-DSC、XRD、TEM、UV、FT-IR、BET等现代分析手段对ZAO纳米粉体的物相、形貌、粒度、以及光学性能等进行了表征。实验结果表明：所制备的ZAO粉体,液相法可以实现铝元素的掺杂,并且可以较准确的控制产物中铝元素的掺杂量,比前人所用的方法更简单,也更容易控制,为工业化提供了一定的理论依据。在本实验条件下,最佳反应条件为：pH值9,Zn2+浓度1mol/L反应温度40℃,反应时间20-30min,超声波分散3-5min,其制得的ZAO粉体粒径分布均匀,平均粒径约20nm,比表面积为67.6m2/g。采用基于密度泛函理论（DFT）的总体能量平面波超软赝势法,结合广义梯度近似（GGA） PW91形式,对Al原子不同掺杂位置的ZnO超原胞进行了几何优化,计算分析了晶体结构参数以及掺杂模型的电子结构以及光学性质。结果表明：掺杂Al在紫外光波段影响明显,实验与两种模型理论计算均发现在紫外光区域存在一激子峰,在0～15eV区间掺杂材料的静态介电常数不为0,置换模型和实验现象较为符合,最后给出价电子轨道跃迁规律。本论文采用的微波化学共沉淀法是一种节能、高效、高综合利用、环境友好的新型纳米粉体制备技术,其制备方法在科学上具有创新性,在实践中具有重要的应用价值,特别是对于我国丰富的锌资源来说,开发附加值高的锌产品具有重要的研究意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 ZAO导电材料的国内外发展现状
• 1.3 ZAO纳米粉体的应用
• 1.4 ZAO纳米粉体的制备方法
• 1.5 团聚的产生机理及消除方法
• 1.6 微波的应用
• 1.7 超声波的应用
• 1.8 本课题研究的特色和内容
• 1.9 小结
• 第二章 微波化学共沉淀法制备ZAO纳米粉体实验
• 2.1 前言
• 2.2 实验原料及化学试剂
• 2.3 实验设备及仪器
• 2.4 实验步骤
• 2.5 前驱体及ZAO纳米粉体表征
• 2.6 小结
• 第三章 实验结果与讨论
• 3.1 ZAO纳米粉体前驱体制备工艺条件的研究
• 3.2 ZAO纳米粉体前驱体的干燥
• 3.3 ZAO纳米粉体前驱体的煅烧
• 3.4 沉淀剂的选择
• 3.5 纳米ZAO粉体的UV和FT-IR表征
• 3.6 纳米ZAO粉体的BET表征
• 3.7 小结
• 第四章 ZAO的电子结构与光学性质研究
• 4.1 理论模型
• 4.2 计算方法
• 4.3 晶体结构
• 4.4 电子结构
• 4.5 光学性质分析
• 4.6 小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读学位期间发表的学术论文