石墨烯及其它基底上二氧化錫納米棒陣列的生長(zhǎng)、性能及器件.pdf

1、納米材料的結(jié)構(gòu)很大程度上影響其物理化學(xué)性質(zhì)，因此，納米結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)、理化屬性從根本上決定了其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。在原子和分子的尺度，以納米線等一維納米結(jié)構(gòu)為基本結(jié)構(gòu)單元，去制造具有特殊功能的結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義。將單個(gè)納米結(jié)構(gòu)單元組裝成有序陣列，這樣，納米陣列表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)不僅能反映出單個(gè)納米結(jié)構(gòu)所具有的性質(zhì)，而且還可以反映納米陣列的協(xié)同效應(yīng)，滿足納米器件設(shè)計(jì)要求。二氧化錫(SnO2)材料作為優(yōu)秀的氣敏材料、鋰離子電池電極材料，被廣泛研究

2、并應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域。文章選擇納米一維結(jié)構(gòu)SnO2為研究對(duì)象，選擇不同形式的二維基底(如石墨烯、SnO2、金屬及碳纖維等)，合成了不同形貌的三維的陣列結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制水熱合成條件、并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行性能測(cè)試及分析，對(duì)SnO2納米陣列結(jié)構(gòu)的組裝機(jī)理展開(kāi)研究。所制備的各種基底及形貌的SnO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)被用于氣體探測(cè)、鋰離子電池負(fù)極材料等領(lǐng)域，獲得了良好的應(yīng)用結(jié)果。本文主要包括以下研究成果：
　　 1.首次利用納米晶種導(dǎo)向的水熱方法合成了高度

3、有序排列的SnO2納米棒在石墨烯基底上形成三維陣列結(jié)構(gòu)。通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)條件，即改變晶種溶液濃度和燒結(jié)溫度，使這些幾乎垂直生長(zhǎng)于納米棒的直徑和密度得以調(diào)控。在這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了這種晶種導(dǎo)向水熱法納米棒生長(zhǎng)的機(jī)理：SnCl4在水溶液中水解，以石墨烯為基底形成SnO2晶種，在隨后的水熱生長(zhǎng)過(guò)程中SnO2晶體沿[001]晶向形成垂直于石墨烯基底的納米棒陣列。最后，測(cè)試了這種材料的氣敏性質(zhì)、光致發(fā)光和鋰離子電池電極性能。石墨烯基底陣列結(jié)

4、構(gòu)與在同等條件下合成的SnO2納米棒組成的花狀納米結(jié)構(gòu)相比，獲得增強(qiáng)的氣敏性能。通過(guò)調(diào)控實(shí)驗(yàn)條件，獲得了直徑和分布適當(dāng)?shù)募{米棒的陣列結(jié)構(gòu)，并且在氣敏測(cè)試過(guò)程中呈現(xiàn)對(duì)還原性氣體的極大增強(qiáng)，其對(duì)H2S氣體呈現(xiàn)出兩倍于花狀SnO2結(jié)構(gòu)的敏感強(qiáng)度。究其原因，這種改變應(yīng)歸因于石墨烯優(yōu)秀的電學(xué)性能與陣列的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的雙重因素。
　　 2.首次利用水熱方法合成了一種自基底的SnO2納米棒陣列，即SnO2多晶平面作為基底，一維SnO2納米棒自組裝

5、成為陣列的納米結(jié)構(gòu)。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)控過(guò)程，探索了合成這種新型納米陣列結(jié)構(gòu)最佳形貌的反應(yīng)條件。依據(jù)化學(xué)反應(yīng)和晶體結(jié)構(gòu)特性，解釋了自基底SnO2納米棒陣列的最佳生長(zhǎng)條件及生長(zhǎng)機(jī)理：首先在十二烷基硫酸鈉(SDS)輔助下，油相中存在的水滴形成反相膠束。水相中Sn4+水解形成Sn(OH)62-，附著于兩相界面。在隨后的水熱反應(yīng)中，高溫高壓使膠束破裂，SnO2納米晶片狀基底形成。經(jīng)奧斯特瓦爾德熟化，SnO2沿一定晶體學(xué)方向生長(zhǎng)形成自基底的SnO2

6、納米棒陣列結(jié)構(gòu)。對(duì)這種自基底SnO2納米棒陣列結(jié)構(gòu)的性能測(cè)試結(jié)果表明了其優(yōu)異的氣體-電阻響應(yīng)性能和作為鋰離子電池負(fù)極的較大比電容量、循環(huán)穩(wěn)定性能。最后指出這種新型陣列結(jié)構(gòu)在場(chǎng)致發(fā)射微電子器件、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池等方面也將具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 3.成功實(shí)現(xiàn)了在金屬銅、鎳、及碳纖維材料基底上生長(zhǎng)SnO2納米棒陣列，發(fā)展了在不同基底材料上生長(zhǎng)SnO2納米棒陣列的簡(jiǎn)單、通用的水熱合成方法。在銅片基底上，生長(zhǎng)了大面積的“樹(shù)枝狀”