三维花状ZnO微晶的液相合成及其形成机理

论文摘要

ZnO是一种重要的宽禁带半导体材料,室温下能带带隙为3.37eV,激发子束缚能高达60meV,由于其在紫外波段具有很强的自由激子跃迁发光,因而在光电领域如变阻器、气体传感器、太阳能电池、紫外遮蔽材料、紫外激光器等方面具有广泛的应用前景。此外,ZnO还可用作颜料,橡胶添加剂,催化剂,高档化妆品,药物载体等。由于结构和形貌等因素对于材料的性能和应用有较大的影响,因此合成不同形貌的纳米ZnO已引起人们极大的兴趣。与其他半导体材料相比,ZnO具有极其丰富的特殊形貌,如花状、塔状、树枝状、海胆状、蒲公英状、环状等。这些丰富的特殊形貌可能使其具有一些新的性能并有望在纳米激光器件及微电子设备等方面发挥作用。本论文采用一种新型的液相法合成3-D ZnO微/纳米晶体,以ZnCl2（或Zn（NO3）2）和NaOH为原料,不添加任何模板剂,恒温（<100℃）陈化数小时,即可得到形貌完美的3-D花状ZnO晶体。该方法具有原料简单,绿色环保,温度低,时间短,产率高（90%以上）等特点。此外我们对不同形貌的ZnO结构材料的形成机理进行系统的研究,为实现对ZnO纳米结构形貌和尺寸的调控提供理论依据。本论文的主要内容包括:（1）三维花状ZnO微晶的生长机理研究以ZnCl2-NaOH为体系,通过跟踪反应过程中不同时间溶液中Zn（II）浓度以及产物的物相和形貌,揭示了3-D花状ZnO晶体在液相反应中的成核、生长机理。结果表明:由Zn（OH）42-→ZnO的相变过程,遵循均匀溶液饱和析出机制;这种特殊的3-D结构是由于早期阶段大量ZnO晶核发生聚集生长造成的;控制溶液的碱度以调控ZnO晶体成核、生长速率,从而达到对晶体的形貌和粒径的调控。（2）三维花状ZnO微晶的控制合成以ZnCl2-NaOH为体系,采用恒温陈化法制备三维ZnO微晶,并研究了各种反应条件对产物的影响。结果表明:ZnCl2与NaOH的摩尔比、初始反应物浓度、陈化温度以及溶剂介质均能不同程度地影响3-D花状ZnO晶体的形貌和尺寸。（3）三维与一维ZnO晶体的竞争生长以Zn（NO3）2-NaOH体系为研究对象进一步探讨3-D ZnO微晶的形成机理。实验发现,锌碱比为1:6的反应过程中出现了中间体Zn（OH）2,而后经由固相转化生成1-D ZnO晶体。改变反应体系的碱度和温度均能调控中间体的稳定性,达到对最终产物形貌（三维或一维）的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 引言
• 2 ZnO 纳米材料的性能及应用
• 2.1 光学性能
• 2.2 半导体性能
• 2.3 化学性能
• 2.4 生物性能
• 3 3-D ZnO 微晶的研究进展
• 3.1 3-D ZnO 微晶的合成方法
• 3.2 液相合成3-D ZnO 微/纳米晶的机理研究
• 4 选题意义
• 5 论文主要内容
• 第二章 三维ZnO 微晶的机理研究
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 主要仪器和试剂
• 2.2 溶液配制
• 2.3 实验过程
• 3 结果与讨论
• 3.1 3-D ZnO 微晶的形成过程
• 3.2 3-D ZnO 微晶的形成机理
• 4 碱度对ZnO 微晶生长的调控作用
• 4.1 碱度对ZnO 形貌和大小的调控
• 4.2 碱度调控机制
• 5 小结
• 第三章 三维ZnO 在不同反应条件下的液相合成
• 1 引言
• 2 实验
• 2.1 主要仪器和试剂
• 2.2 溶液配制
• 2.3 实验过程
• 3 产物表征和分析
• 4 实验结果与讨论
• 4.1 反应物浓度的影响
• 4.2 陈化温度的影响
• 4.3 不同阴离子的影响
• 4.4 反应介质的影响
• 5 小结
• 第四章 同体系中3-D 与1-D ZnO 晶体的竞争生长
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 仪器和试剂
• 2.2 样品的制备
• 2.3 样品的表征
• 3 结果与讨论
• 3.1 3-D 花状ZnO 晶体与1-DZnO 晶体的竞争生长
• 3.2 Zn（OH）2 与ZnO 同时成核
• 3.3 1-D ZnO 晶须的形成机理初探
• 4 小结
• 第五章 论文总结
• 1 主要结论
• 2 工作中的不足
• 3 工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的主要研究成果
• 致谢