氧化鋅納米晶的水熱法制備及其摻雜改性研究.pdf

1、納米材料具有獨(dú)特的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)等，使其無(wú)論在基礎(chǔ)研究，還是在應(yīng)用領(lǐng)域都具有極大的研究?jī)r(jià)值。摻雜是一種使光電和半導(dǎo)體材料獲得理想特性的材料改性技術(shù)之一，因而通過(guò)可控?fù)诫s制備性能可調(diào)的納米材料是一項(xiàng)重要的研究課題。
　　 ZnO是一種重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料。納米ZnO兼有納米材料和半導(dǎo)體材料兩方面的優(yōu)異性能，在場(chǎng)發(fā)射顯示器、太陽(yáng)能電池、二極管、傳感器和紫外發(fā)光器件等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。水熱法作為ZnO納米材

2、料的化學(xué)制備方法之一，由于形式多樣、操作簡(jiǎn)便、成本較低、粒度可控等特點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。
　　 本文通過(guò)水熱法和在氨氣氛中高溫退火等技術(shù)，制備出不同形貌的ZnO和摻雜ZnO納米晶。采用X-射線(xiàn)衍射(XRD)、X-射線(xiàn)能量分散譜儀(EDS)、透射電鏡(TEM)/高分辨透射電鏡(HRTEM)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)以及選區(qū)電子衍射(SAED)等方法研究了ZnO納米晶的物相組成和微結(jié)構(gòu)，探討了ZnO納米晶的反應(yīng)過(guò)程和生長(zhǎng)機(jī)理。并

3、借助于傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、紫外可見(jiàn)光譜(UV-vis)、光致發(fā)光光譜(PL)等手段表征和探討了ZnO納米晶的譜學(xué)特征和光學(xué)性能。
　　 以二水醋酸鋅為鋅源，采用H2O2輔助水熱法在200℃下制備了粒徑分布均勻的ZnO納米棒。由HRTEM和SAED結(jié)果表明，這些納米棒是具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的單晶，每根納米棒都具有六邊形截面，并沿[0001]晶體方向生長(zhǎng)。納米棒的直徑為120～300nm，長(zhǎng)度為1～2μm。而在同樣條件下，

4、不加H2O2制得ZnO棒的直徑為1～5μm，長(zhǎng)度為5～20μm。光致發(fā)光結(jié)果表明，添加H2O2制得的ZnO納米棒在390nm處的紫外發(fā)射峰強(qiáng)度明顯增高。加入H2O2可以調(diào)節(jié)ZnO晶體的成核過(guò)程，降低晶體的生長(zhǎng)速率，改善晶體的質(zhì)量?；诒狙芯康膶?shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了ZnO納米棒的生長(zhǎng)機(jī)理。
　　 采用H2O2輔助水熱法，并以六水硝酸鋅為鋅源，在80℃的低溫下制備出粒徑更小(50～200nm)的ZnO納米棒。添加適量H2O2制備的ZnO納

5、米棒的紫外發(fā)光峰強(qiáng)度增高，而缺陷發(fā)光峰則明顯降低。
　　 以氯化鋅為鋅源，五水氯化錫為錫源，通過(guò)水熱法合成了Sn摻雜的ZnO納米晶。結(jié)果表明，制得的Sn摻雜的ZnO納米晶具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。隨著Sn摻雜濃度的增高，納米晶的平均粒度增加，晶體形貌由短棒狀向單錐和雙錐狀轉(zhuǎn)變。此外，晶體的形貌也隨前驅(qū)體溶液的pH值而變化。例如，當(dāng)前驅(qū)體溶液的pH值從7.0提高到12.0時(shí)，Sn摻雜的ZnO納米晶的形貌由長(zhǎng)柱狀向短柱狀轉(zhuǎn)變。室溫下，觀測(cè)

6、到Sn摻雜的ZnO納米晶有三個(gè)光致發(fā)光帶，分別為401nm處的紫外發(fā)光峰，433nm處的強(qiáng)紫光發(fā)射峰及466nm處弱的藍(lán)光發(fā)光峰。光致發(fā)光結(jié)果表明，Sn的摻雜主要改變納米ZnO的發(fā)光強(qiáng)度。由紫外可見(jiàn)光譜可以看出，Sn摻雜的ZnO納米晶在紫外區(qū)產(chǎn)生最大吸收峰，并隨著摻雜Sn濃度的增加而發(fā)生紅移。
　　 將水熱法合成的雙錐體ZnO納米晶在氨氣氛中退火，制備了N摻雜的ZnO(NZO)納米晶。制備的NZO納米晶均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其形貌

7、仍為雙錐體。XRD結(jié)果表明，NZO納米晶較未摻N的ZnO的晶粒度增大，結(jié)晶度提高。光致發(fā)光結(jié)果表明，制得的NZO納米晶在389nm處有一強(qiáng)的紫外發(fā)光峰，而在468nm處存在一個(gè)很弱的藍(lán)色發(fā)光峰。與未摻雜的ZnO納米晶的PL光譜比較，NZO納米晶在555nm處的綠色發(fā)光峰消失，表明N元素的摻入補(bǔ)償了ZnO納米晶中的氧空位。
　　 將水熱法合成的Al摻雜的ZnO(AZO)納米棒在550℃的氨氣氛中退火，制備了Al、N共摻雜的ZnO(

8、ANZO)納米棒。結(jié)果表明，制備的AZO和ANZO納米棒均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的單晶體。AZO棒的直徑明顯減小，平均直徑由未摻雜時(shí)的～3μm降到Al摻雜時(shí)的～70nm。EDS測(cè)試結(jié)果表明，Al、N兩種元素已摻入ZnO納米棒，而且N元素的摻入量隨Al摻雜濃度的提高而增加。光致發(fā)光結(jié)果表明，制得的AZO和ANZO納米棒在390nm處均有一強(qiáng)的紫外發(fā)光峰，而在468nm處都存在一個(gè)很弱的藍(lán)色發(fā)光峰。與AZO納米棒的PL光譜比較，ANZO納米棒在5