一些納米金屬氧化物紅外光譜的實(shí)驗(yàn)及DFT研究.pdf

1、紅外吸波材料的研究與開發(fā)對(duì)現(xiàn)代隱身技術(shù)的發(fā)展和人民生活中的紅外防護(hù)、保暖等方面均具有重要意義。而近期研究表明，納米金屬氧化物對(duì)紅外電磁波的吸收體現(xiàn)出吸收峰強(qiáng)度高、頻帶寬且吸收峰隨材料的晶型結(jié)構(gòu)和粒徑有不同程度的藍(lán)移和紅移的特點(diǎn)。本論文對(duì)納米TiO<,2>、納米ZnO、納米Al<,2>O<,3>及納米MgO四種納米金屬氧化物材料的紅外光譜各有側(cè)重地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及DFT(Density FunctionalTheory)研究。 本論文

2、實(shí)驗(yàn)工作的第一部分是對(duì)納米TiO<,2>、納米ZnO及納米MgO進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米TiO<,2>的紅外吸收峰要比常規(guī)TiO<,2>的吸收峰寬化，且精細(xì)結(jié)構(gòu)減少甚至消失；銳鈦礦型TiO<,2>的紅外吸收能力要比金紅石型的強(qiáng)；所測(cè)試的納米TiO<,2>樣品中，以粒徑在25 nm左右的樣品紅外吸收能力最強(qiáng)。納米ZnO的紅外光譜只出現(xiàn)一個(gè)紅外特征振動(dòng)吸收峰，且發(fā)生藍(lán)移。納米MgO的紅外特征吸收峰分裂為中心在416 cm<'-1

3、>處的主吸收峰同507 cm<'-1>處的肩峰，這應(yīng)該是紅移和藍(lán)移因素共同作用的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)部分XO型和X<,2>O<,3>型納米金屬氧化物的紅外光譜分別進(jìn)行類比研究，確認(rèn)了晶型是影響納米金屬氧化物紅外光譜變化的重要因素，相同晶型的金屬氧化物往往具有類同的紅外光譜特征，其對(duì)應(yīng)的納米金屬氧化物的紅外光譜變化規(guī)律也類同。 本論文實(shí)驗(yàn)工作的另一部分是對(duì)用硫酸鋁銨熱解法制備得到的納米Al<,2>O<,3>進(jìn)行的詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。首

4、先利用工業(yè)上廣泛使用的硫酸鋁銨熱解法制備得到了不同晶型和粒度的納米Al<,2>O<,3>，然后利用XRD、TEM及IR對(duì)各樣品進(jìn)行了表征。XRLD表明，制得的納米Al<,2>O<,3>粉末粒徑分別為5.9 nm，6.1 nm，6．6 nm，9.8 nm，10.5 nm和54.7 nm。900℃時(shí)保溫2h可得到純?chǔ)?Al<,2>O<,3>，加熱至1200℃發(fā)生相轉(zhuǎn)變，生成α-Al<,2>O<,3>，且中間不經(jīng)過任何亞穩(wěn)相。TEM結(jié)果表明，

5、制得的納米Al<,2>O<,3>粉末顆粒均為球形，且分散性較好。IR測(cè)試結(jié)果分析表明在1000～400 cm<'-1>波數(shù)范圍內(nèi)納米Al<,2>O<,3>的紅外光譜較之常規(guī)Al<,2>O<,3>出現(xiàn)了藍(lán)移和寬化現(xiàn)象，這說明較之常規(guī)Al<,2>O<,3>，納米Al<,2>O<,3>的紅外電磁波吸收能力得到增強(qiáng)，這為制備寬頻帶紅外電磁波吸收材料提供了依據(jù)。文中還進(jìn)一步對(duì)納米Al<,2>O<,3>出現(xiàn)反常紅外吸收特性的原因及機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分

6、析討論。通過比較不同晶型的納米Al<,2>O<,3>的紅外光譜發(fā)現(xiàn)不同晶型的Al<,2>O<,3>的紅外光譜具有不同的特征，因此，紅外光譜可作為定性判定其是否發(fā)生相變的一種輔助手段。一系列實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，納米金屬氧化物紅外光譜的頻移現(xiàn)象似乎存在一些矛盾的結(jié)果，為深入探討其紅外光譜的變化規(guī)律，選取典型的金屬氧化物MgO作為研究對(duì)象進(jìn)行DFT模擬計(jì)算。利用CASTEP中GGA和LDA近似下的MD方法對(duì)八組晶格常數(shù)下MgO的能帶結(jié)構(gòu)和紅外光譜進(jìn)

7、行模擬計(jì)算，分別是a=0.42020 nm，0.42025 nm，0.42045 nm，0.42071 nm，0.42095 nm，0.42112 nm，0.42124 nm，0.42140nm。能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算表明，LDA計(jì)算結(jié)果的偏差是GGA的2～3倍，這說明對(duì)MgO而言，能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算仍以GGA占優(yōu)。紅外光譜的計(jì)算結(jié)果則表明，對(duì)納米MgO而言，存在著一些特征晶格常數(shù)(a=0.42112 nm，a=0.42071 nm，a=0.420

8、45nm等等)及特征晶粒度，紅外光譜發(fā)生明顯頻移的點(diǎn)總是出現(xiàn)在特征晶格常數(shù)處，且特征晶格常數(shù)均處于隨著晶粒度減小晶格常數(shù)發(fā)生陡變的區(qū)域范圍內(nèi)，其對(duì)應(yīng)的晶粒度范圍為70～110 nm(特征晶粒度范圍)。其譜峰的頻移并不是單調(diào)變化的，而是在一定的晶格常數(shù)范圍內(nèi)發(fā)生紅移，一定的晶格常數(shù)范圍內(nèi)發(fā)生藍(lán)移，具體的實(shí)驗(yàn)研究中之所以得到不同的頻移結(jié)果就是因?yàn)樗苽涞玫降臉悠诽幱诓煌木Ц癯?shù)范圍內(nèi)。能隙值的變化同紅外光譜的變化之間存在著一定的關(guān)系。此外

9、，我們還認(rèn)為納米MgO振動(dòng)模式的簡并和分裂是影響其吸收峰寬化或是窄化的一個(gè)因素。 為保證全文實(shí)驗(yàn)工作的順利開展，對(duì)德國SPECORD 75型紅外光譜儀進(jìn)行了升級(jí)改造。為其配備數(shù)據(jù)采集卡并自行編制了配套的軟件，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，克服了光譜儀原有的缺點(diǎn)，并使之達(dá)到了現(xiàn)代光譜儀的測(cè)試水平。這也為舊式儀器的更新利用提出了新的思路。同時(shí)，對(duì)紅外光譜實(shí)驗(yàn)研究中的固體制樣方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了改進(jìn)的“薄膜法”。通過測(cè)