ZnS和ZnO納米材料的制備及其光致發(fā)光性能的研究.pdf

1、納米ZnS和ZnO是寬禁帶半導(dǎo)體材料，由于具有量子限域效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和優(yōu)越的熒光特性等優(yōu)點(diǎn)而吸引了眾多研究者的目光。因此，在近十幾年里，ZnS和ZnO納米材料已經(jīng)在光催化、傳感器、透明電極、熒光探針、二極管、太陽能電池和激光器等領(lǐng)域的研究中顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。通過在ZnS和ZnO基質(zhì)中摻雜不同離子可以調(diào)節(jié)這些寬禁帶納米半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)特性，從而使它們得到更廣泛的應(yīng)用。由于發(fā)光特性是納米半導(dǎo)體材料的一個(gè)重要特性，對(duì)ZnS和

2、ZnO及其摻雜型納米粒子發(fā)光特性進(jìn)行研究不僅有科研方面的意義，而且在實(shí)際應(yīng)用方面也有潛在的價(jià)值。因此，本文針對(duì)ZnS和ZnO及其摻雜型納米粒子的制備和光譜性能展開研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　 ⑴分別采用沉淀法和固相法合成了不同粒徑的ZnS納米粒子，X射線衍射分析，透射和掃描電鏡測(cè)試表明所有樣品均為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，平均粒徑分別約為6.40nm和9.48nm。與沉淀法相比，固相法制備的ZnS納米粒子的結(jié)晶度更好，發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng)。<

3、br>　　 ⑵采用沉淀法制備了ZnS∶Mg2+納米粒子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在Zn1-xMgxS（0≤x≤0.55）納米粒子中，隨著Mg2+濃度由0mol％增加到55mol％時(shí)，雖然樣品的發(fā)光強(qiáng)度隨Mg2+濃度的增加而降低，但其帶隙由3.70eV增加至3.98eV，這說明Mg2+的摻雜能調(diào)節(jié)ZnS納米粒子的帶隙寬度。
　　 ⑶采用低溫固相法制備了ZnS∶O2-納米粒子，研究了O2-的摻雜濃度、反應(yīng)條件和退火條件對(duì)樣品熒光特性的影響，

4、討論了ZnS∶O2-納米粒子的熒光發(fā)射機(jī)理，研究結(jié)果表明:與ZnS納米粒子相比，O2-摻雜后的樣品室溫下藍(lán)色發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)增強(qiáng)，這表明摻雜后的樣品具有良好的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)初始原料中Zn和O的摩爾比為10∶5.3時(shí)，樣品的發(fā)射強(qiáng)度最強(qiáng)，其強(qiáng)度為未摻雜ZnS樣品的9倍。研究反應(yīng)條件對(duì)ZnS∶O2-(Zn/O=10∶5.3)樣品熒光特性影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間由1h延長至5h和反應(yīng)溫度由120℃升高至160℃時(shí)，樣品的粒徑由7.93nm增大到19.1

5、0nm，最佳反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度分別為3h和130℃。同時(shí)，通過研究退火條件的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn):退火能使ZnS∶O2-(Zn/O=10∶5.3)樣品粒徑和發(fā)光強(qiáng)度增加，最佳退火條件為:空氣中退火時(shí)，最佳退火時(shí)間和退火溫度分別為0.5h和100℃;而在真空中退火時(shí)，最佳退火時(shí)間和退火溫度則分別為3h和150℃。
　　 ⑷采用固相法制備了鹵素?fù)诫s的ZnS納米粒子，光譜測(cè)試結(jié)果表明:鹵素離子的摻雜，能提高樣品的發(fā)光強(qiáng)度，最佳的反應(yīng)摩爾比分別

6、為:F/Zn=0.3，Cl/Zn=0.35，Br/Zn=0.4，I/Zn=0.45。同時(shí)，研究表面活性劑(聚乙烯醇，PVA)對(duì)樣品熒光性能影響時(shí)，發(fā)現(xiàn):PVA能有效減少鹵素?fù)诫s的ZnS納米粒子的表面懸掛鍵，提高樣品的發(fā)光強(qiáng)度。
　　 ⑸分別采用溶膠-凝膠法和低溫固相法合成了ZnO納米粒子，測(cè)試結(jié)果表明所有樣品均為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，平均粒徑分別為17.42nm和20.28nm。與溶膠-凝膠法相比，固相法制備的ZnO納米粒子的結(jié)晶度好

7、，發(fā)光強(qiáng)度較強(qiáng)。通過探討反應(yīng)條件對(duì)溶膠-凝膠法制備的ZnO納米粒子的晶體結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能的影響，發(fā)現(xiàn):當(dāng)反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間由6h增加至10h時(shí)，ZnO納米粒子的粒徑由16.0nm增大到30.2nm，反應(yīng)時(shí)間為7h的樣品的發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng);當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為7h，反應(yīng)溫度由50℃增加到90℃時(shí)，ZnO納米粒子的粒徑由17.3nm增大到32.2nm，反應(yīng)溫度為60℃的樣品的發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)。不同退火條件對(duì)樣品性能影響的研究結(jié)果表明:退火處理能改善樣

8、品的結(jié)晶度，增大粒徑，提高發(fā)光強(qiáng)度。最佳退火溫度和退火時(shí)間分別為100℃和0.5h。另外，在該退火條件下，真空退火樣品的熒光強(qiáng)度高于空氣退火的樣品，這是由于真空退火能更有效的使樣品表面吸附的氧原子發(fā)生脫附反應(yīng)。
　　 ⑹采用低溫固相法制備ZnO∶S2-納米粒子和ZnS/ZnO∶S2-納米異質(zhì)結(jié)材料，研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)S2-的摻雜量低于S2-在ZnO中的固溶度時(shí)，產(chǎn)物為ZnO∶S2-納米粒子;當(dāng)S2-的摻雜量高于ZnS和ZnO的固溶度時(shí)

9、，除了生成ZnO∶S2-納米粒子外，還存在ZnS納米顆粒，形成Zns/ZnO∶S2-納米異質(zhì)結(jié)。熒光光譜表明:ZnO∶S2-納米粒子的發(fā)光強(qiáng)度高于ZnO樣品的，但是卻低于ZnS/ZnO∶S2-納米異質(zhì)結(jié)材料的熒光強(qiáng)度，而且ZnS/ZnO∶S2-納米異質(zhì)結(jié)的發(fā)光強(qiáng)度約為ZnO樣品的25倍。其原因是:對(duì)ZnO∶S2-納米粒子而言，S2-摻雜能有效提高樣品的輻射復(fù)合發(fā)光幾率，增強(qiáng)樣品的熒光強(qiáng)度，而ZnS/ZnO∶S2-納米異質(zhì)結(jié)材料中，表面層