金屬氧化物一維納米材料的制備及其氣敏、光、電、磁性能研究.pdf

1、一維納米材料作為一種納米材料，在具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應及宏觀量子隧道效應的同時，還具有特殊的形貌，因而，具有一些特殊的光、電、磁和催化性能，在光學、復合材料、傳感器、催化劑等方面有廣闊的應用前景。使用一維納米材料的氣體傳感器表現(xiàn)出靈敏度高、工作溫度低和響應恢復時間短等優(yōu)點，因而，在近些年里被廣泛地研究。雖然，關于各種一維氧化納米材料的氣敏性能研究相當廣泛，但是還有以下問題值得深入研究。 1、通過改變實驗條件和制備

2、方法，可以制備一些具有新的一維納米結構的氧化物和復合氧化物，研究這些新的一維納米結構氧化物的氣敏性能具有一定的理論意義和實用價值。 2、不同的制備方法或者制備條件會影響所制備材料的結晶度、表面缺陷和形貌，從而影響材料的氣敏性能，所以，研究不同制備方法或者不同制備條件制備的一維納米材料的氣敏性能是十分有意義的。 3、關于摻雜的一維氧化物納米材料的制備與性能的研究還相對較少。 4、關于一維氧化物氣體傳感器響應機理的研

3、究不是很深入，有些問題還不是很清晰。 此外，一維納米材料還具有特殊的光、電、磁性能。在研究一維納米材料的氣敏性能的同時，研究它們的光、電、磁性能也是十分有意義的。 基于以上考慮，本論文選擇SnO<,2>、ZnO、Fe2O<,3>、La<,2>FeO<,3>幾類常用的金屬氧化物和復合金屬氧化物氣敏材料作為研究對象，在制備這些一維納米結構材料后，研究它們的氣敏性能以及光、電、磁性能。目標是發(fā)現(xiàn)一些具有優(yōu)良的氣敏性質(zhì)或發(fā)光性質(zhì)

4、或磁性的新型的一維納米材料。 本論文設想的研究內(nèi)容是： 1、使用不同方法或者不同制備條件制備SnO<,2>、ZnO、Fe2O<,3>、La<,2>FeO<,3>四種常用的具有一維納米結構的氣體敏感材料，研究它們的氣體敏感性能。期望得到一些氣敏性能良好的氣敏材料。 2、探討我們制備的新的一維納米結構氧化物的生長機理。 3、探討一維納米氧化物氣體傳感器的響應機理。 4、對所制備的一維納米氧化物進行光、

5、電、磁性能的研究。期望發(fā)現(xiàn)一些形貌對性能影響的新現(xiàn)象。 5、研究摻雜對一維納米材料的生長及性能的影響。 本學位論文研究工作和取得的主要結果如下： 1、用表面活性劑-熔鹽法制備了二氧化錫納米棒，研究了使用不同表面活性劑制備的二氧化錫納米棒的氣敏性能。結果表明，采用二氧化錫納米棒作為氣敏材料的氣體傳感器元件具有檢測限低和響應、恢復時間短等優(yōu)點；使用NP10作為表面活性劑制備的二氧化錫納米棒是一種測量三乙胺的好的氣敏材

6、料。同時，發(fā)現(xiàn)使用不同表面活性劑制備的氣敏材料表現(xiàn)出了不同的氣敏性能，這說明氣敏材料的性能與制備條件密切相關。 2、研究了摻雜銦對二氧化錫納米棒生長的影響。電鏡結果表明：摻雜少量銦會使納米棒變長變細，也就是長度/半徑比增加，隨著摻雜濃度的升高，長度/半徑比逐漸減小，到摻雜濃度為6﹪時，納米棒的長度/半徑比變的比沒有摻雜的二氧化錫納米棒的長度/半徑比還要小。這個結果與X射線粉末衍射圖中的(110)和(101)面的相對強度的變化趨勢

7、一致。同時，我們使用制備的樣品制作了元件，測量了元件在干燥空氣和氮氣氣氛中電導率一溫度變化曲線。結果顯示：摻銦會使樣品的電導率變?。毫硗?，摻雜6 m01﹪的銦的元件對氮氣有響應。 3、用水熱法在處理過的ITO玻璃表面生長出單晶的“螺絲刀”狀ZnO納米材料。掃描電鏡和透射電鏡觀察表明：單個ZnO納米“螺絲刀”是由兩個直徑不同的六方柱組成的。同時，我們使用ZnO納米“螺絲刀”樣品制作了氣體傳王丹：中山大學博士學位論文金屬氧化物一維納

8、米材料的制備及其氣敏、光、電、磁性能研究感器元件，進行了氣敏性能測試，結果表明：元件對H<,2>S的響應很好，達到10 ppb。同時，元件對H<,2>S響應后的恢復時間比較長。這些都可以用ZnO的硫化和去硫化作用來解釋。使用水熱法制備了ZnO納米棒，研究了不同表面活性劑濃度對氧化鋅納米棒生長以及光致發(fā)光性能的影響。發(fā)現(xiàn)：用此方法制備的ZnO納米棒被激發(fā)發(fā)射黃光，與文獻報道比較，發(fā)射峰發(fā)生紅移。這可能是低溫條件下制備的樣品的缺陷較多的原因

9、引起的。同時，我們也發(fā)現(xiàn)：相同激發(fā)條件下，未使用表面活性劑的ZnO納米棒比使用表面活性劑的ZnO納米棒的發(fā)射要強，這是由于它表面缺陷較多的緣故。 4、使用軟模板一熱分解方法制備了氧化鐵納米管，使用掃描電鏡、透射電鏡進行了形貌表征，研究了退火對氧化鐵納米管形貌的影響。對氧化鐵納米管的磁性能研究結果表明：氧化鐵納米管的TM轉(zhuǎn)變溫度變小，這是由于粒子尺寸變小引起的：也發(fā)現(xiàn)在室溫下氧化鐵納米管表現(xiàn)出弱鐵磁性，而且比顆粒狀的氧化鐵的鐵磁性

10、強。 5、使用(表面活性劑)共沉淀-熔鹽法制備了管壁粗糙的單晶LaFeO<,3>納米管，探討了它的生長機理，研究了它的氣敏性能和磁性能。氣敏性能的測試結果表明：單晶LaFeO<,3>納米管是一種良好的可以用于室溫下氯氣檢測的氣敏材料，用它制作的氣體傳感器元件在室溫下對氯氣的檢測限可以達到1 ppm。對納米管狀LaFeO<,3>和顆粒狀LaFeO<,3>的磁性能測試表明：管狀的LaFeO<,3>在5K左右有一個相變，而顆粒狀的沒有

11、，這可能與它的形貌有關。 6、使用溶膠-凝膠-熔鹽法制備了La<,2>CuO<,4>納米束，為制備一維納米結構的La<,2>CuO<,4>和以La<,2>CuO<,4>為基體的材料，提供了一種新穎的合成方法。 總的來說，研究工作達到了設定的目標，以下的研究結果具有一定的創(chuàng)新性。 1、首次用表面活性劑．熔鹽法制備了單晶La<,2>FeO<,3>納米管。La<,2>FeO<,3>納米管在室溫下對氯氣有很好的響應，是一

12、種可以用于氯氣檢測的好的氣敏材料。發(fā)現(xiàn)了納米管狀的La<,2>FeO<,3>在5 K左右有一個磁相變。 2、用水熱法在ITO玻璃上生長出ZnO“螺絲刀”狀納米材料，根據(jù)ZnO納米“螺絲刀”氣體傳感器對H<,2>S的響應和恢復曲線，研究了它對H<,2>8的響應機理。用ZnO的硫化和去硫化作用解釋了傳感器對H<,2>S的特殊的響應和恢復曲線。 3、為La<,2>CuO<,4>一維納米材料的制備提供了一種新穎的溶膠．凝膠．熔鹽