论文部分内容阅读
氧化锌(ZincOxide，ZnO)是非常重要的半导体材料，具有较宽的带隙(3.37eV)和较大的激子束缚能(60meV)。ZnO纳米材料优良的光、电、化学和热特性，使其在光电子器件、气体传感器、太阳能电池等方面有着广泛的应用前景。研究ZnO以及掺入其他离子以达到优化或赋予新的光学、电学性能对ZnO纳米材料的发展和应用具有重大的价值。 微波具有独特的选择性加热，在有机合成中的成功应用引起了很多人对“微波效应”的研究，本论文期望这种微波效应能够赋予ZnO纳米材料特殊的微观结构和光学性能。因此，针对当前纳米材料制备方法的不足，建立了未掺杂和掺杂ZnO的微波诱导燃烧法(Microwave-InducedCombustionSynthesis，MICS)，利用X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、室温光致发光光谱（PL）等测试手段对样品的晶体结构、微观形貌、可控生长、光学性能进行了系统研究。 第一部分：在对MICS进行理论论证和实际应用调研的基础上，提出MICS合成ZnO的方法。与现有方法类比，验证了该方法的可行性。对实验过程中反应体系的选择、前驱体溶液中的含水量、反应物在微波腔中的位置、反应终点的确定等参数进行考察，评价了该方法的有效性。结果证明，以尿素为燃料，硝酸锌为锌源，在微波辐射下进行燃烧合成，可以获得晶体结构完整的ZnO纳米材料，该方法具有合成时间短、不需要后期热处理、能源利用率高等优势。 第二部分：利用已建立的MICS成功合成了ZnO纳米材料，并系统研究了ZnO的晶体结构、微观形貌和光学性能。改变微波功率、燃料与硝酸锌比例、微波辐射时间等参数，可以合成花状、片状及块状三种形貌的纳米ZnO材料。实验观察到了ZnO纳米花在不同时间段的形貌，解释了晶体生长的过程，认为纳米花的形成机理源于尿素提供的OH-诱导成核与微波辐射过程中晶体的快速生长。在ZnO的光学性能研究中，不同形貌ZnO的PL光谱很类似，都出现了带边激子复合引起的紫外光发射和大量的可见光发射。通过对可见光发射峰产生的机制分析，认为微波诱导燃烧法合成时间短，ZnO表面产生了更多的缺陷，可见光发射峰可能与ZnO的表面缺陷能级相关。 第三部分：在MICS能够制备出三维花状形貌ZnO以及表现出不同光学性能的基础上，选择与Zn原子半径相近的过渡元素Zr，利用MICS合成了Zr掺杂的ZnO复合材料。SEM观察其形貌，不同条件下所得均为带小孔的块状材料，因此进一步研究了块状材料不同位置的元素分布、小孔的尺寸与体积、小孔产生的原因等。Zr:ZnO的PL光谱中，ZnO的发射峰完全存在，但Zr的引入还是带来了光谱微小的差异。 本文所建立的微波诱导燃烧法可以用于纳米氧化物及其掺杂体系的合成。新的制备方法可以改变纳米材料的微观结构和特殊性能，为纳米材料制备和应用的发展提供了重要参考价值。