ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備及其微結(jié)構(gòu)表征.pdf

1、ZnO是一種寬禁帶、高激子束縛能的半導(dǎo)體材料，其具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)等性能。因此，其被廣泛應(yīng)用于光電子器件、傳感器、液晶顯示器、太陽(yáng)能電池和表面聲波器件等。由于ZnO具有獨(dú)特的極性晶體結(jié)構(gòu)，使其晶體具有各向異性，并且擁有各種豐富多彩的微觀形貌。目前，有關(guān)ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)及其特殊性能的研究和應(yīng)用依舊受到了國(guó)內(nèi)外科研單位及研究人員的高度重視。
　　本文以有機(jī)鋅鹽為原料在乙醇/水混合溶劑體系下經(jīng)過(guò)水熱反應(yīng)制備ZnO納米結(jié)

2、構(gòu)材料并研究其生長(zhǎng)機(jī)制，目的在于尋找影響形貌變化的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)，為以后能夠?qū)崿F(xiàn)形貌可控生長(zhǎng)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)采用X射線衍射、SEM、TEM以及AFM研究了產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)和形貌特征，并使用傅里葉變換紅外光譜儀和熱重-差熱分析儀，分析了產(chǎn)物的化學(xué)成分與相變過(guò)程。實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)前驅(qū)物層狀堿式醋酸鋅(LBZA)生長(zhǎng)規(guī)律的探索以及對(duì)ZnO生長(zhǎng)過(guò)程的細(xì)致跟蹤，主要得到了以下主要結(jié)果。
　　(1).LBZA在乙醇/水混合溶劑體系下的形成機(jī)理與

3、在水溶液體系中的不同。在混合溶劑沉淀法制備LBZA中，乙醇主要改變了游離鋅離子的溶劑化效果，不僅使鋅離子與乙酸根離子的結(jié)合更加穩(wěn)定，而且還減少了鋅離子與鋅離子間團(tuán)聚的機(jī)會(huì)，進(jìn)而在含有少量水的情況下，促進(jìn)乙酸鋅水解形成LBZA。而在水溶液體系下，向溶液中氫氧根離子濃度增加時(shí)，在溶液還是酸性條件下，鋅離子與多余的氫氧根離子以及醋酸根離子形成溶解度更低，自由能更低的LBZA。
　　(2).LBZA的化學(xué)式為Zn(OH)1.6(AC)0.

4、4，且存在不同的結(jié)晶水。其在溫度的變化下主要經(jīng)歷3次相變。在溫度100℃左右，LBZA脫去結(jié)晶水;當(dāng)溫度達(dá)到130℃左右時(shí)，LBZA結(jié)構(gòu)中的羥基脫水，形成ZnO晶體，但是乙酸根還存在于ZnO顆粒之間;而當(dāng)溫度繼續(xù)升高到300℃左右時(shí)，LBZA中乙酸根進(jìn)一步分解，而ZnO結(jié)晶性變好。
　　(3).對(duì)LBZA的生長(zhǎng)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑CTAB對(duì)LBZA的構(gòu)晶離子在c軸方向的堆疊生長(zhǎng)有限制作用，同時(shí)增加其a軸方向的生長(zhǎng)。而乙醇胺能

5、使LBZA在各個(gè)方向上的生長(zhǎng)都受到大大限制，使其晶粒更小。此外，在低溫水熱制備下，LBZA構(gòu)晶離子能夠在非c軸方向共用羥基定向排列生長(zhǎng)成帶狀，而且CTAB的加入能使帶狀形貌更寬，而乙醇胺的加入往往使帶狀變得更加細(xì)長(zhǎng)。并且，這些帶狀LBZA，經(jīng)過(guò)煅燒熱分解反應(yīng)后，在保持形貌不變的情況下，形成ZnO納米帶。
　　(4).在各種形貌的ZnO中，棒狀形貌的ZnO生長(zhǎng)是由負(fù)離子多面體[Zn(OH)4]2-生長(zhǎng)基元按ZnO原有的結(jié)晶習(xí)性從過(guò)飽

6、和溶液均勻形核并堆疊脫水長(zhǎng)大;啞鈴狀和雙錐狀的ZnO生長(zhǎng)是基于原有沉淀通過(guò)異質(zhì)形核生長(zhǎng)。此外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水熱反應(yīng)中醋酸根離子能通過(guò)吸附作用影響ZnO在c軸方向上的生長(zhǎng)速度，進(jìn)而獲得比較平整的六邊形平面。
　　(5).通過(guò)正交試驗(yàn)分析，歸納總結(jié)了水熱制備法中影響ZnO結(jié)晶形貌的最主要的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù):乙酸鋅的濃度和乙醇胺的含量。乙醇胺的作用有兩方面;其一為體系提供堿性環(huán)境，降低臨界轉(zhuǎn)變溫度;其二在ZnO生長(zhǎng)過(guò)程中有絡(luò)合吸附現(xiàn)象，起到表面