微/纳米氧化锌（ZnO）的生长、性质及其应用研究

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	微/纳米氧化锌（ZnO）的生长、性质及其应用研究
	何发泉
导师	赵亚溥
	2008
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	固体力学
摘要	纳米氧化锌（ZnO）是一种直接宽带隙半导体材料，室温下其禁带隙宽为本3.37 eV，激子束缚能为60 meV。纳米ZnO有明显的尺寸效应、表面和界面效应等，物理化学性能优越。在压电材料、铁电材料、平面显示、表面声波、传感器、场发射器件、激光、光催化等方面有着广泛的用途。近年来，对纳米ZnO材料的研究成为国内外的一个热点。本论文研究了用化学气相沉积（CVD）法制备微/纳米ZnO材料。通过控制实验条件，合成了多种特殊结构和形貌的微/纳米ZnO材料，并用扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电镜（HR-TEM）、X-射线衍射仪（XRD）、Raman光谱和光致发光（PL）等对材料的结构和光学性能进行了表征。采用CVD法，在温度为630 °C，氧气流量为15 sccm，氩气流量为300 sccm的条件下，制备了一种纳米带冠四足状ZnO（T-ZnO）。此结构ZnO材料的每根足顶端均有一规则的六方帽形结构，具有很大的比表面积。实验结果表明：合成的ZnO材料为纤维锌矿结构单晶，并且沿着(0001)方向生长；室温下的PL谱有两个激发峰，一个是在393 nm处相对较弱的近带紫外峰，另一个是在511 nm处强峰。而材料在600 °C下氧气中退火30 min后，511 nm附近的绿光激发辐射峰则基本消失了，这说明在511 nm处的绿光激发辐射峰可能是由于氧空位引起的。此外，通过改变实验条件，还得到了其他多种结构的微/纳米ZnO材料。通过大量实验，找到了一种在低温下合成微/纳米ZnO材料的新方法，即水蒸气氧化法。用ZnI2作为锌源，水蒸气作为氧化剂，实验温度在300～500 °C范围内，大大低于通常CVD法的500～1500 °C。采用此法，用硅做基底，得到了一系列有趣的实验结果，大多数情况下ZnO纳米晶自组装成很规则的圆。而在瓷舟中收集到的纳米ZnO跟普通CVD法结果相似，可以得到锥状、棒状等结构的纳米晶，但其生长方式与硅基底上的有很大差别。此外，用水蒸气氧化法，还实现了ZnO纳米晶在碳纳米管（CNTs）上的直接生长，而且其PL性能增强，这可能是纳米ZnO和CNTs相互耦合的结果。在700 °C温度下，以锌粉和ZnI2作为锌源，用水蒸气作为氧化剂，在硅基底的正反面分别得到了纳米棒和纳米推子阵列。此外，还对水蒸气氧化法的化学反应机理进行了分析，实验结果证明：固态ZnI2在受热和一定真空度下先蒸发成ZnI2分子，ZnI2分子遇到水蒸气发生反应生成偶极ZnO分子，这些ZnO偶极分子在硅基底上通过静电力自组装成特殊的几何形状。此外，还通过分子动力学模拟的方法，对材料的力学性能进行了研究，得到了ZnO的弹性常数和体弹性模量，模拟值跟其他研究人员的实验和模拟结果吻合得很好，并估出算了ZnO晶体的表面能和断裂韧性。本论文还对制备材料的光催化性能进行了系统的研究，采用CVD法制备ZnO，对铬黑T（EBT）进行光催化降解实验。通过正交实验方法，得到了ZnO催化降解EBT的最佳工艺条件，即催化剂用量为5 g/L，光照强度为120 W，反应温度为20 °C，反应时间为120 min，EBT浓度为10 mg/L，溶液pH值为4。在最佳实验条件下，20分钟内有95%的EBT被降解完，30分钟内则全部降解。因此，ZnO在EBT的降解中催化效率很高，在废水处理中具有潜在的应用前景。
索取号	30504
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/23126
专题	力学所知识产出(1956-2008)
推荐引用方式 GB/T 7714	何发泉. 微/纳米氧化锌（ZnO）的生长、性质及其应用研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2008.

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