氧化锌半导体纳米材料的可控合成及性能研究

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纳米材料被誉为是“21世纪最有前途的材料”,目前,已成为当今许多科学工作者研究的热点,而氧化锌纳米材料的许多优异性能使其成为重要的研究对象并得到广泛的应用。科学研究表明,材料的性能和应用取决于其形貌和尺寸,因此,氧化锌半导体纳米材料的形貌控制合成不仅具有重要的理论意义,而且还可以拓宽半导体纳米材料的应用范围。本论文在氧化锌纳米材料的液相合成新途径及调控合成新方法等方面进行了探索性研究。   离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐,也称为低温熔融盐。由于离子液体所具有的独特的物理化学性能,在无机纳米材料的合成方面引起了人们的广泛关注。开展新的研究方法,对氧化锌进行控制合成,同时拓展离子液体的应用是本论文的重点。具体的研究内容包括:   (1)离子液体-水复合溶剂调控合成多种形貌氧化锌。在离子液体-水复合体系中,以Zn(NO3)2·6H2O和NaOH为反应物,[C2NH2MIM]Br-H2O为溶剂,制备出了多种形貌的氧化锌。通过调整反应参数,如:离子液体浓度,NaOH浓度,zn(NO3)2·6H2O浓度等,发现得到的氧化锌形貌发生了很明显的变化,并且对其形成过程进行了合理的解释。与简单的水热法相比,利用离子液体与氧化锌表面的相互作用,离子液体起到了导向作用,使氧化锌沿着特定的方向生长。离子液体辅助合成方法条件温和且环境友好,是一种制备无机纳米材料的绿色途径。   (2)水热法调控合成多种形貌氧化锌。采用简单的水热反应体系,以Zn(NO3)2·6H2O和NaOH为反应物,去离子水为反应溶剂,通过调整整个反应体系的pH值,成功的制备出了氧化锌纳米颗粒,氧化锌六方片和氧化锌微米花。其中,制备的ZnO六方片平均直径在100 nm左右,厚度有几十个纳米,这比之前文献报道的氧化锌六方片的尺寸都要小。并且,在实验中我们发现,溶液的pH值对反应有很重要的影响,当pH值减小到一定值时,我们得到的产物为Zn5(OH)4(NO3)6和ZnO的混合结构,当样品在500℃下灼烧5小时,通过XRD图谱我们发现Zn5(OH)4(NO3)6逐渐消失,最后完全转变为氧化锌。水热合成法操作方便,设备简单,条件温和,可以推广到制备其它具有形貌和性能的纳米材料。   (3)水热法调控合成不同形貌氧化锌微米晶。本文采用简单的水热反应体系,以Zn(NO3)2·6H2O和NaOH为反应物,去离子水为反应溶剂,同时往溶液中加入一定量的表面活性剂,如:柠檬酸钠或EDTA,由于表面活性剂可以与ZnO表面相互作用,利用表面活性剂的这一特性,我们在水热体系中制备出了形貌均一,分散性良好的多种形貌的ZnO微米晶。并且表面活性剂的用量对产物的尺寸和形貌有显著的影响。这种通过往溶液中添加表面活性剂来调控ZnO的形貌的途径为合成其它无机纳米材料提供了一种新方法。   总之,本文主要提出了关于氧化锌纳米材料的简便且环境友好的合成方法,同时证明了添加剂的使用对材料的形貌和尺寸有很重要的影响,特别是功能离子液体的使用,可以有效得控制ZnO的生长方向,从而合成不同形貌的ZnO,并且可能为更多无机纳米材料的可控合成提供一种新的思路。
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