几种化合物微/纳米结构的形貌可控合成与表征及其光学性能研究

论文摘要

微／纳米材料的性质受其尺寸和形貌的影响,微／纳材料的可控合成是近年来的一个热点研究领域。由于具有4f电子,稀土材料呈现出独特的光学、电学和磁学性能,得到了广泛的研究和应用。氧化锌和硫化镉作为应用广泛的宽带隙半导体,对其研究一直备受关注。为此,本文拟选取几种重要的稀土化合物、氧化锌和硫化镉为研究对象,探讨其微/纳米结构的可控合成,并对其性质进行研究。本论文采用水热、溶剂热和微波等合成方法,在不同形貌修饰剂的辅助下,分别制备出花状的La2O3,海胆状和花状的La（OH）3和La2O3,苹果状的LaCO3OH,束状的ZnO和多种新颖结构的CdS。用X-射线衍射（XRD）,扫描电镜（SEM）,透射电镜（TEM）,X-射线能谱（EDS）,红外光谱（FITR）,热重-差热分析（TG-DTA）和荧光光谱（PL）等对制备的样品进行表征。对所合成产物的形成机理及其光学性能进行了初步分析和讨论。主要内容如下：（1）花状La203的溶剂热合成和表征以LaCl3·nH2O和C6H6N4为起始原料,在四丁基溴化铵（TEAB）的辅助下,通过一个简单的溶剂热合成过程,制备出了花状的氧化镧前驱体。并对制备的样品进行一系列的表征。SEM表明这些花的直径为5-7μm和单个微米花由数十厚度约为100 nm的薄片组成。另外,我们对氧化镧前驱体花状结构可能的形成机理进行了初步探讨。随后,在800℃下处理前驱体4 h后,得到与前驱体形貌相似的多孔花状La2O3,其比表面积为9.98 m2/g。同时,制备了3%Eu3+掺杂的花状La2O3:Eu3+发光体,结果表明花状La2O3:Eu3+在267 nm紫外光激发下显示出很强的红光发光性能,其对应Eu3+的5D0-7F2（625 nm）跃迁。（2）海胆状和花状La（OH）3的微波合成和表征本文利用简单、快速和节能的微波法制备了海胆状和花状的La（OH）3,对产物进行了一系列的表征。海胆状和花状的La（OH）3的直径分别为3μm和6μm。SEM结果表明海胆状La（OH）3由数十根直径约为300 nm和长度约为500 nm的纳米棒组成；花状La（OH）3由数十厚度约为100 nm花瓣组装而成。对两种La（OH）3可能的形成机理进行了初步探讨,我们认为海胆状产物经由了一条非传统的结晶路线,即介观晶化路线,而花状产物则由传统的Ostawald晶化路线得到。通过一个相同的合成过程,5%Eu3+掺杂的海胆状和花状的La2O3:Eu3+发光体被制备。PL结果表明海胆状的La2O3:Eu3+比花状La2O3:Eu3+有更强的发光性能。（3）生物分子辅助苹果状LaCO3OH的水热合成和表征本文在生物分子明胶的辅助下,利用简单的水热合成方法制备出苹果状的LaCO3OH。对所得样品用XRD、SEM和HRTEM进行了表征,结果表明苹果状LaCO3OH的晶相随反应时间的延长由斜方晶逐渐转变为六方晶相。SEM表明这些苹果状LaCO3OH的直径约为3μm和单个苹果状LaCO3OH由大量的纳米棒交织组装而成,纳米棒的直径约为6 nm、长度约为40 nm。考察了不同反应因素对对合成的影响,结果表明明胶的用量对产物的晶相结构和形貌有明显的影响。初步探讨了苹果状LaCO3OH的形成机理。荧光测试结果表明苹果状LaCO3OH在365 nm紫外光激发下在444 nm处有较强的发光,有趣的是La（OH）CO3:Tb3+在277 nm紫外光激发下发射白光,从而可能带来La（OH）CO3新的用途。在相同反应体系中,我们用其它稀土离子进行了对比实验。结果表明轻稀土元素可以生成斜方相碱式碳酸盐,而重稀土元素则不能生成相应的碱式碳酸盐。（4）ZnO微/纳米结构的可控合成和表征在钼酸铵的辅助下,通过简单的水热合成路线制备了ZnO纳米束、微米棒、花、纳米纺锤体和纳米六方片。用不同的表征手段对样品进行结构和形貌表征。实验结果表明钼酸铵用量对ZnO的形貌有着重要的影响。对不同结构ZnO可能的形成机理进行了探讨。并对其光学性能进行了研究,PL结果表明ZnO的形貌对其发光性能有重要的影响。（5）CdS微米结构的混合溶剂热合成和表征在草酸的辅助下,利用混合溶剂热合成方法制备出多种不同形貌如花椰菜状、花状、足球状、球状和塔状的CdS微/纳米结构。所得样品用XRD、SEM、UV-Vis进行表征。实验结果表明草酸、溶剂和硫源对CdS的形貌有重要的影响。另外,探讨了CdS样品的可能的形成机理。UV-vis结果表明,与CdS的体材料相比,花椰菜状和足球状CdS的紫外吸收出现明显的红移。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 纳米材料的概论
• 1.2 纳米材料的水热与溶剂热合成
• 1.3 三维纳米材料的可控合成
• 1.4 稀土发光材料
• 1.5 氧化锌和硫化镉的基本性质
• 1.6 本论文的创新之处及主要的内容
• 2O₃的溶剂热合成和表征'>第二章 花状La₂O₃的溶剂热合成和表征
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 3的微波合成和表征'>第三章 海胆状和花状La（OH）₃的微波合成和表征
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 3OH的水热合成和表征'>第四章 苹果状LaCO₃OH的水热合成和表征
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 第五章 ZnO微/纳米结构的可控合成和表征
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 小结
• 第六章 CdS微米结构的混合溶剂热的合成和表征
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.4 小结
• 结语
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 在读期间公开发表论文（著）及科研情况