低維氧化鋅納米材料的合成及浸潤性研究.pdf

1、在低維納米材料制備科學(xué)和技術(shù)研究方面的一個(gè)重要趨勢是加強(qiáng)控制工程的研究，包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結(jié)構(gòu)的控制。目前在一維納米結(jié)構(gòu)陣列中，研究最熱的主要有三種：硅納米線、碳納米管和ZnO納米線/納米帶。ZnO納米線由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光電等性質(zhì)，成為當(dāng)今一維納米材料研究的熱點(diǎn)之一。
　　 雖然ZnO納米材料的研究已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但在工藝簡單、低成本、高產(chǎn)率、高結(jié)晶質(zhì)量、及形貌可控制備上依然存在很大挑戰(zhàn)。本論文研究工作以一維Z

2、nO納米線陣列為主要研究對象，另外研究了零維和二維納米材料，圍繞著材料的生長、結(jié)構(gòu)形貌、液滴浸潤性機(jī)理以及超疏水性等方面，開展了一系列工作，具體內(nèi)容如下：
　　 在第一章中，對納米材料的合成技術(shù)、基于自組裝法合成一維納米功能材料的研究進(jìn)展、一維納米材料的性質(zhì)和應(yīng)用、以及研究意義做了概述。
　　 在論文第二章中，首先總結(jié)了ZnO材料的基本性質(zhì)，然后開始介紹本論文的主要工作：ZnO納米線陣列應(yīng)用于器件的一個(gè)前提是必須具備很好

3、的垂直性和分散性，人們在以往的研究中采用了模板法、化學(xué)氣相沉積法、金屬氣相外延生長法等多種方法來實(shí)現(xiàn)對納米線陣列的調(diào)控。與其它制備方法相比，水熱法具有反應(yīng)條件溫和、易操作、成本較低、產(chǎn)物分散性好、結(jié)晶質(zhì)量高、團(tuán)聚少及易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。本章利用磁控濺射在玻璃或Si襯底上濺射一層ZnO籽晶層的基礎(chǔ)上，再利用水浴法/水熱法生長了垂直性、分散性和重復(fù)性具佳的ZnO納米線陣列。與水浴法生長的ZnO納米線的長徑比為20:1相比；水熱法生長的ZnO納米

4、線的長徑比達(dá)到104:1，ZnO納米線的柔韌性非常好，即使在納米線的上端發(fā)生彎曲也不會(huì)斷裂。本章還闡述了ZnO納米線的生長過程：ZnO極性面表面能高，要經(jīng)過表面重整以降低表面能，所以極性面(0001面)的生長速度要大于其他晶面；同時(shí)納米線某個(gè)面生長的快慢與其生長速度也有關(guān)系，不同面的生長速度也不一樣。
　　 綜合上面兩個(gè)因素考慮ZnO納米線沿著(0001)方向快速生長。此外研究了溫度和HF對ZnO形貌的影響。隨著溫度的升高，水的

5、電離度會(huì)增加，水中增加的H+離子會(huì)抑制ZnO沿c軸擇優(yōu)取向生長，從而造成ZnO由低溫(<100℃)的納米線狀結(jié)構(gòu)向高溫(>150℃)片狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)反應(yīng)溶液中加入HF時(shí)，H+對ZnO的影響主要有兩點(diǎn)：一方面隨著H+離子濃度的增加，ZnO結(jié)構(gòu)的長徑比不斷減小，由柱狀結(jié)構(gòu)向磷片組成的球狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，另一方面H+使ZnO結(jié)構(gòu)逐漸變薄，由球狀變?yōu)榱嘶ò隊(duì)?；F-使ZnO表面出現(xiàn)粗糙結(jié)構(gòu)，最終使微結(jié)構(gòu)由鱗片狀變成纖維狀。在論文第三章中，在粗糙結(jié)構(gòu)表

6、面濕潤特性研究的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)描述液滴在實(shí)際微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)表面浸潤特性的新的半浸潤模型。首先介紹與接觸角相關(guān)的一些定義和基本理論，對靜態(tài)接觸角和接觸角滯后現(xiàn)象進(jìn)行分析。然后分析描述液滴在固體表面浸潤狀態(tài)的傳統(tǒng)理論模Wenzel模型和Cassie模型的聯(lián)系和區(qū)別，并在此基礎(chǔ)上提出一個(gè)新的解釋液滴在不同形貌固體表面浸潤性質(zhì)的模型—半浸潤模型，并用此模型計(jì)算了特殊表面的接觸角，得出了和實(shí)驗(yàn)相一致的結(jié)論。最后利用半浸潤模型給出了接觸角滯后和

7、滾動(dòng)角的關(guān)系。
　　 在論文第四章中，實(shí)驗(yàn)研究了ZnO納米線陣列、網(wǎng)狀乳突節(jié)點(diǎn)陣列及其它微納仿生自組裝復(fù)合結(jié)構(gòu)表面的浸潤特性。利用溶膠凝膠法和水浴法在玻璃襯底上分別制備了疏水性SiO2薄膜和超疏水性ZnO納米線陣列薄膜，并在理論上對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。利用簡單的水熱自組裝的方法制備了網(wǎng)狀乳突結(jié)點(diǎn)狀ZnO薄膜，該薄膜經(jīng)HTMS修飾以后具有穩(wěn)定的超疏水性。建立了一個(gè)“張力接觸模型”來解釋水的表面張力和快速蒸發(fā)是網(wǎng)狀乳突結(jié)構(gòu)形成的原因

8、。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是一種類荷葉的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，水滴在該結(jié)構(gòu)表面的接觸角高達(dá)170o，滾動(dòng)角小于2o。
　　 同時(shí)，利用Cassie模型從理論上驗(yàn)證了該結(jié)果。此外，研究了花狀ZnO結(jié)構(gòu)的制備及其超疏水性。最后，在沒有貴金屬(Au,Ag等)輔助的情況下，利用簡單化學(xué)刻蝕的方法，在Si(001)面上刻蝕出金字塔狀結(jié)構(gòu)，研究了金字塔表面的疏水性。
　　 在論文第五章中，主要是通過用禁帶寬度較窄的熒光量子點(diǎn)CdSe與寬禁帶ZnO納米

9、線復(fù)合，實(shí)現(xiàn)不同能帶之間的調(diào)制，以達(dá)到對太陽光寬波段的吸收，為下一步光電器件的研究奠定基礎(chǔ)。研究了熒光量子點(diǎn)CdSe納米顆粒的制備及其光學(xué)性質(zhì)(吸收、光致發(fā)光)。通過改變反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了CdSe量子點(diǎn)尺寸和發(fā)光波長的調(diào)控。為了提高光生載流子的傳輸效率，通過配位鍵的轉(zhuǎn)換，利用短碳鏈分子巰基丙酸(MPA)代替量子點(diǎn)表面的長碳鏈分子三正辛基氧化磷(TOPO)。此外，利用低溫水熱法(50℃)制備出了高結(jié)晶質(zhì)量的ZnO納米線陣列。