水热法合成氧化锌纳米结构及其应用

论文摘要

在本文中，我们采用ZnCl2溶液和浓氨水（25％），利用一种简单的水热法合成了不同形貌的氧化锌（ZnO）纳米/微米结构。同时对于ZnO纳米结构在场发射、生物传感器、气体传感器和光开关等方面的应用做了探讨。本论文的主要内容及创新点如下：1．通过适当改变实验条件，如溶液浓度、反应时间、衬底、溶液pH值、反应温度等等，我们得到了ZnO纳米线、纳米棒、纳米饼、纳米针以及纳米管等。同时，我们对实验条件与形貌之间的关系进行了定性分析。2．对管状ZnO的形成机理进行了详细的研究。（1）我们使同时配制的7个反应溶液经历不同的反应时间（20分钟到9个小时）和不同的反应温度（95℃到室温）。经历不同过程的样品的SEM图像清晰地显示了管状ZnO在水溶液中的演化过程。（2）证实了管状ZnO是在较低的温度（＜75℃）和较短的时间（约7小时）从ZnO棒演变而来。原因是由于ZnO棒处于亚稳态的（0001）富锌面的优先化学溶解导致了管状结构的出现。（3）提出了一个“两个阶段”的生长模型，在整个生长过程中ZnO的水热沉积和溶解同时存在。第一个阶段对应于在较高的温度下前驱物Zn（NH3）42+沉积形成ZnO。第二个阶段是一个浸蚀的过程，它发生在前驱物Zn（NH3）42+在较高的温度时耗尽或水热沉积在较低的温度停止后。3．利用氨水和氯化锌溶液进行水热反应制得了ZnO纳米管阵列。测试了ZnO纳米管阵列的场发射特性。在电流密度为0.1μA/cm2，场发射的开启电场为7.0 V/μm。同时，场发射电流密度达到1 mA/cm2时的偏致电场为17.8 V/μm。场增强因子B估算为910。在24小时的测试中，在15 V/μm的测试电场下，发射电流密度变化在10％以内。ZnO纳米管的场发射显示出较好的稳定性。稳定的场发射行为应该与生长在衬底上均一高度的纳米管阵列有关。均一高度的ZnO纳米管高度确保了在测试时发射体上电场的均匀分布，从而保证了场发射电流的稳定。通过比较发现，我们的ZnO纳米管阵列具有较好的场发射性能。同时，ZnO纳米管阵列的场发射稳定性要好于已经报道的ZnO纳米结构/薄膜的场发射稳定性。另外，我们也测试了水热法生长在金属衬底上的同轴ZnO纳米棒的场发射，并得到了比较理想的场发射特性。4．利用水热分解法制备了ZnO纳米棒，并在此纳米棒上固定葡萄糖氧化酶（GOx）从而制成了葡萄糖生物传感器。在pH 7的PBS缓冲液中，负电性的GOx通过静电吸附被固定在正电性的ZnO纳米棒上。在电势+0.8 V（对Ag/AgCl参比电极），该生物传感器的灵敏度是23.1μA cm-2mM-1，响应时间小于5秒，实验检出下限为0.01 mM，线性测量范围为0.01 mM到3.45 mM，表观米氏常数是2.9 mM。我们的结果表明ZnO纳米棒可以有效地固定GOx并保持其生物活性。由于ZnO纳米棒的较大的比表面积、生物兼容性和较高的电子传输特性，因而可以对于GOx的装载和稳定其生物活性提供一个有利的微观环境。5．通过水热法制备了基于ZnO纳米棒的气体传感器。该传感器对于H2、NH3、CO、NO等气体有比较灵敏的反应。尤其对于500ppm的NH3在室温下就有较灵敏的反应。6．对于水热法制得的ZnO纳米棒在UV作用下的传导性也进行了研究。实验表明，ZnO纳米棒的导电性对于UV功率变化有灵敏的响应，有望应用于“光开关”。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 ZnO的晶体结构
• 1.2 ZnO的特性
• 1.3 纳米结构 ZnO的特性
• 1.4 ZnO 纳米结构的制备方法
• 1.5 水热法制备纳米结构 ZnO简介
• 1.6 本文的工作
• 参考文献
• 第二章 水热法合成氧化锌纳米/微米结构
• 摘要
• 2.1 引言
• 2.2 实验装置和测试设备
• 2.3 实验结果与分析
• 2.3.1 溶液浓度
• 2.3.2 生长时间
• 2.3.3 衬底
• 2.3.4 不同的温度过程
• 2.3.5 溶液内不同的深度
• 2.3.6 pH值
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 管状氧化锌在水溶液中的形成机理
• 摘要
• 3.1 背景简介
• 3.2 实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 ZnO纳米管阵列的稳定场发射
• 摘要
• 4.1 背景简介
• 4.2 实验及装置
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 基于氧化锌纳米棒阵列的葡萄糖生物传感器
• 摘要
• 5.1 背景简介
• 5.2 实验
• 5.2.1 ZnO纳米棒制备
• x电极制备'>5.2.2 GO_x电极制备
• 5.2.3 葡萄糖生物传感器测量
• 5.3 实验结果和讨论
• 5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 总结
• 攻读博士学位期间完成的论文及专利申请
• 致谢