纳米硫化物和氧化物的湿化学合成与形貌控制研究

论文摘要

纳米结构及其相关的复合结构具有许多有趣的与尺寸和形貌相关的性能。利用纳米结构材料的特殊性能可以设计全新的电子、光子、传感等纳米器件,具有广阔的潜在应用前景。本论文针对己有纳米材料制备方法存在的工艺复杂、成本较高的问题,采用设备条件要求不高、适应性强的湿化学方法,选择典型的半导体材料为研究对象,通过对反应介质、结构导向剂以及制备工艺的精心选择和设计,在相对温和、简单的条件下实现了对纳米材料在尺寸和形貌等方面的可控合成,并对生长机理进行了探讨。论文主要内容归纳如下:1.采用水热法成功合成了Mn2+掺杂MS（M=Zn、Cd）纳米棒,探讨了Mn2+含量对光谱性能的影响。结果表明随着Mn2+含量的增加,其直径基本不变,但长度变短,形貌变的较杂乱,并且伴随有颗粒产生。MS纳米棒的紫外吸收光谱和荧光光谱都逐渐红移,表明Mn2+是一种重要的光谱调节元素,能有效的调节MS纳米棒的光学性能。采用十二烷基苯磺酸钠辅助水热法制备了ITO交叉棒。研究了不同温度下合成的前驱体的微结构和形貌,并在此基础上对粉末择优取向生长机理进行了探讨。结果表明,在113℃下合成的前驱体的择优取向最为明显,该温度下前驱体的生长主要沿着[100]晶向择优取向并且具有最好的空间交叉棒形貌。提出了水热合成过程中产生的密实粒子或短棒以“棒-棒”相接的生长模式形成更长的棒状或者交叉棒的生长机理。2.利用简单的自组装化学反应,将CuS均匀地包覆于PSA乳胶粒模板的表面,形成PSA/CuS的核/壳结构微球,用有机溶剂溶去PSA乳胶粒模板后,可以得到壳厚20nm、孔直径120nm且大小均匀表面光滑的CuS空心微球。采用超声振动法,利用PEG作为结构诱导软模板成功制备了Bi2S3纳米棒,分析了不同时间Bi2S3纳米棒的生长形貌,提出了“粒子-粒子”自组装连接生成Bi2S3纳米棒的生长机理,并通过紫外吸收光谱估算出了Bi2S3纳米棒的光学带隙宽度。3.采用乙二胺/水溶剂热法,选择不同的硫源,合成了具有双层十二对称结构的Cu2-xS晶体,探讨了不同乙二胺/水体积比对形貌的影响,提出了双层十二对称结构是源于六边形微盘组装而成的生长机理。采用二甘醇溶剂热法合成了包含少量水合氯化铟（InCl3·3H2O）的In（OH）3晶体,它们可呈现出棉花状、刺球状和海胆状复杂而有趣的形貌,探讨了温度对形貌变化的影响及相应的生长过程。4.采用微乳液法,通过调节微乳液中起始溶液的pH值,合成了CeO2的纳米球和纳米棒晶体。分析了样品的组成和结构,探讨了形貌对CeO2纳米晶的比表面积和光谱性能的影响,估算了不同形貌CeO2纳米晶的光学带隙宽度。5.采用水热法制备了聚合物PVP表面修饰ZnO纳米棒,比较了改性前后ZnO纳米棒的晶体结构和光学性质。结果表明,PVP对改性后对ZnO的晶体结构影响不大,但增加了ZnO纳米棒在紫外区域的吸收,而对其在紫外区域的屏蔽能力和在可见光区域的透过能力影响不大。353nm处弱的发射峰表明ZnO晶体的表面已经被钝化,与氧有关的缺陷被PVP所修饰。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料的结构与效应
• 1.2.1 纳米固体的晶体结构
• 1.2.2 纳米晶粒的内部结构
• 1.2.3 纳米晶界的微观结构
• 1.2.4 纳米材料的电子结构特性
• 1.2.5 纳米材料的特异效应
• 1.3 纳米材料形貌、尺寸与性能关联性
• 1.4 纳米材料的形貌和结构控制研究进展
• 1.4.1 自发生长
• 1.4.2 粒子自组装
• 1.4.3 模板法
• 1.4.4 过饱和条件
• 1.4.5 纳米微粒表面修饰
• 1.5 硫化物与氧化物半导体纳米结构研究进展
• 1.6 本课题的提出及研究目的
• 第2章 实验与测试方法
• 2.1 引言
• 2+掺杂 MS（M＝Zn、Cd）纳米棒的水热合成'>2.2 Mn²⁺掺杂 MS（M＝Zn、Cd）纳米棒的水热合成
• 2+掺杂 CdS 纳米棒的水热合成'>2.2.1 Mn²⁺掺杂 CdS 纳米棒的水热合成
• 2+掺杂 ZnS 纳米棒的水热合成'>2.2.2 Mn²⁺掺杂 ZnS 纳米棒的水热合成
• 2.3 硫化物纳米材料的合成
• 2.3.1 CuS空心球的制备
• 2-xS 的合成'>2.3.2 Cu_2-xS 的合成
• 2S₃ 纳米棒的制备'>2.3.3 自组装Bi₂S₃纳米棒的制备
• 2.4 纳米氧化物的形貌控制与表面修饰
• 2.4.1 氧化铈纳米晶的形貌控制合成
• 2.4.2 聚合物PVP 表面修饰ZnO 纳米棒的制备
• 2.5 铟锡氧化物（ITO）的合成
• 2.5.1 铟锡氧化物（ITO）交叉棒的水热合成
• 3'>2.5.2 二甘醇溶剂热法合成In（OH）₃
• 2.6 结构与性能表征
• 2.6.1 显微结构分析
• 2.6.2 物相结构分析
• 2.6.3 谱学分析
• 2.6.4 其他分析方法
• 2+掺杂MS（M＝Zn、Cd）纳米棒的形貌、结构与光谱特性'>第3章 Mn²⁺掺杂MS（M＝Zn、Cd）纳米棒的形貌、结构与光谱特性
• 3.1 引言
• 2+掺杂对CdS 纳米棒形貌、结构和光谱性能的影响'>3.2 Mn²⁺掺杂对CdS 纳米棒形貌、结构和光谱性能的影响
• 2+掺杂浓度对CdS 纳米棒形貌的影响'>3.2.1 Mn²⁺掺杂浓度对CdS 纳米棒形貌的影响
• 2+掺杂浓度对CdS 纳米棒微结构的影响'>3.2.2 Mn²⁺掺杂浓度对CdS 纳米棒微结构的影响
• 3.2.3 生长机理探讨
• 2+掺杂浓度对CdS 纳米棒光谱特性的影响'>3.2.4 Mn²⁺掺杂浓度对CdS 纳米棒光谱特性的影响
• 1-xMn_xS 纳米棒的发光机理'>3.2.5 Cd_1-xMn_xS 纳米棒的发光机理
• 1-xMn_xS 纳米棒的形貌、结构及光谱性能'>3.3 Zn_1-xMn_xS 纳米棒的形貌、结构及光谱性能
• 2+掺杂浓度对ZnS 纳米棒形貌的影响'>3.3.1 Mn²⁺掺杂浓度对ZnS 纳米棒形貌的影响
• 2+掺杂浓度对ZnS 纳米棒微结构的影响'>3.3.2 Mn²⁺掺杂浓度对ZnS 纳米棒微结构的影响
• 2+掺杂浓度对ZnS 纳米棒光谱特性的影响'>3.3.3 Mn²⁺掺杂浓度对ZnS 纳米棒光谱特性的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 自组装硫化物的形貌与结构调控
• 4.1 CuS 空心微球
• 4.1.1 CuS 空心微球及其核壳复合结构的形貌和组成分析
• 4.1.2 CuS 空心微球的形成机理
• 2-xS'>4.2 花瓣状 Cu_2-xS
• 4.2.1 形貌分析
• 4.2.2 组成和结构分析
• 4.2.3 生长机理
• 2S₃ 纳米棒'>4.3 自组装 Bi₂S₃纳米棒
• 2S₃ 纳米棒形貌和组成的影响'>4.3.1 反应时间对 Bi₂S₃纳米棒形貌和组成的影响
• 2S₃ 纳米棒的生长机理'>4.3.2 Bi₂S₃纳米棒的生长机理
• 2S₃ 纳米棒的吸收光谱特性'>4.3.3 Bi₂S₃纳米棒的吸收光谱特性
• 4.4 本章小结
• 第5章 纳米氧化物的形貌控制与改性研究
• 5.1 纳米氧化铈
• 2 晶体形貌的影响'>5.1.1 pH 值对 CeO₂晶体形貌的影响
• 5.1.2 组成和结构分析
• 5.1.3 形貌对比表面积的影响
• 5.1.4 形貌对光谱特性的影响
• 5.2 聚合物 PVP 表面修饰 ZnO 纳米棒的形貌、结构和光谱特性
• 5.2.1 形貌与结构分析
• 5.2.2 光谱特性
• 5.3 本章小结
• 第6章 铟锡氧化物（ITO）前驱体的形貌、结构与生长机理
• 6.1 引言
• 6.2 ITO 交叉棒形貌、结构与生长机理
• 6.2.1 ITO 结构与生长取向分析
• 6.2.2 形貌与组成分析
• 6.2.3 生长机理
• 3 晶体'>6.3 二甘醇溶剂热法合成 In（OH）₃晶体
• 6.3.1 结构与组成分析
• 6.3.2 形貌分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的论文