《四针状纳米ZNO的烧结行为及其对气敏、光学性能影响的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四针状纳米ZNO的烧结行为及其对气敏、光学性能影响的研究（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、I摘摘 要要本文采用蒸发冷凝法成功制备了四针状纳米 ZnO，研究了四针状纳米 ZnO烧结行为、气敏性能和光学性能。结果表明：氧分压控制纳米 ZnO 形貌不同，其中在氧分压为 2500Pa 时产物为四针状纳米 ZnO。低压（650Pa）制备出纳米 ZnO的针较长（1m） ；当氧分压从 2500Pa 变化到 8500Pa 时，纳米 ZnO 从四针状转变为颗粒状。氧分压 2500Pa 时，四针状纳米 ZnO 的针尖半径大多在 8nm 左右，针长为 100200nm。在低温下烧结（750oC，从针尖升华的ZnO被输运到四针交接处，形核长大，形成四面体状ZnO颗粒，同时产生较多空隙。由于制备出四针状纳米
2、ZnO存在间隙Zn原子随着烧结温度的提高，间隙Zn原子浓度随之下降，自由电子浓度也随之下降，导致纳米ZnO的空气电阻逐渐升高。四针状纳米ZnO厚膜对乙醇、苯的测试表明，在550烧结四针状纳米ZnO对酒精、苯的气敏性能最好，表明最佳烧结温度为550。随着烧结温度的提高，间隙 Zn 原子浓度下降，而氧空位浓度上升，致使四针状纳米 ZnO 的蓝光发射峰（420nm）减弱， 直至消失；而绿光发射峰 （520nm）出现。本文第一部分介绍了四针状纳米 ZnO 的研究概况及烧结行为对其性能的影响，阐述了本课题的研究目的及意义；第二部分研究了四针状纳米 ZnO 的制备，分析了其形成机理；第三部分深入探讨了四针
3、状纳米 ZnO 的烧结行为；第四、五部分分别探讨了烧结对四针状纳米 ZnO 气敏性能、光学性能的影响。关键词关键词：四针状 ZnO； 纳米； 烧结； 气敏性能； 光学性能IIAbstractTetrapod ZnO(T-ZnO) nanopowders have been produced by a thermophysicalmethod. The sintering behaviors, gas-sensing behaviors and optical properties have beenstudied. The results showed that the oxygen pres
4、sure influenced the morphology of nano-ZnO. The nano-ZnO has a longer needle length at low oxygen pressure of 650Pa. Thenano-ZnO changes from tetrapod to particle, when the oxygen pressure changes from2500Pa to 8500Pa. Most of the T-ZnO tip radius were about 8nm and 100-200nm ofneedle length at oxyg
5、en pressure of 2500Pa.The morphology of T-ZnO has a very small change at a low sintered temperature.The needle of T-ZnO sublimated vanished with the increase of sintering temperaturebecause of Joule-Thomson effect, and ZnO particles and massive ZnO appeared.Sintering above 750, the ZnO tetrahedron g
6、enerated when the ZnO gas, sublimated atT-ZnO tip, was transport to the joint of the needles of T-ZnO.The concentration of interstitial zinc of T-ZnO decreased with the increase ofsintering temperature. The reduced free electrons caused the increased air resistance ofnano-ZnO. The results of gas-sen
7、sing properties of T-ZnO nanopowders showed that theoptimal sintering temperatures of T-ZnO gas sensors were 550，both to ethanol andbenzene.The blue band emission of T-ZnO intensity decreased when enhance the sinteringtemperature because of the decreased density of interstitial zinc. At the same tim
8、e, thegreen band appeared because of the emergence of oxygen vacancies.The paper has four parts. In the first part, the preparation and applications of T-ZnOnanopowders at home and abroad have been summarized, and then the purpose andimportance of our research have been presented. In the second part
9、, T-ZnO nanopowderswere prepared by thermophysical method, and its growth mechanism were investigated.In the third part, sintering behaviors of T-ZnO were discussed. In the fourth , fifth part,IIIthe influences of sintering temperature on gas sensitivity and optical characteristic,relation between t
10、he sintering temperature and the density of defects in T-ZnOnanopowders were studied.Keywords：Tetrapod ZnO; Nanometer; Sinter; Gas-sensing property; Optical property华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文独创性声明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和
11、集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名：日期：2006 年 04 月 日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。（请在以上方框内打“” ）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期：2006 年 04 月 日 日期：2
12、006 年 04 月 日11 绪言绪言1.1 四针状纳米四针状纳米 ZnO 的研究进展的研究进展随着半导体工艺技术的发展，人们正积极探索高效率半导体应用材料。ZnO是重要的 II-VI 族半导体氧化物，室温下禁带宽度为 3.37eV，激子束缚能为60meV1，这就使得纳米 ZnO 材料从理论上具备了从紫外光至可见光稳定的发射本领，同时纳米 ZnO 由于其颗粒尺寸细小,比表面积较大,导致纳米 ZnO 具有普通无法比拟的特殊性能。纳米 ZnO 以纳米材料和重要半导体氧化物两方面的完美结合的特点吸引了广大科研工作者，国际上涌现出许多以纳米 ZnO 为重点的研究小组，开展了许多有关 ZnO 纳米材料的
13、研究工作，2001 年以来，在 Science 上连续刊载了有关特殊形态纳米 ZnO 的报道。所有这些使得纳米 ZnO 材料在传感器2,3、光电转换4,5、光催化 6等领域有着广阔的应用前景。自零维量子点材料的研究开始，人们对纳米 ZnO 的研究逐渐向到一维，二维及多维形态系统发展。纳米 ZnO 有很强的自组织生长能力，在稳定的制备条件下，其分子间相互作用相当明显，分子能严格按晶格排列外延生长，形成配比完整、成分单一的结构.近来随着材料制备技术的日趋完善，时常有特殊形态 ZnO 7-10 (纳米带，纳米棒，氧化锌晶须等)报道。图 1.1 是几种新异形态的 ZnO 纳米结构，分别是(a)纳米带（
14、TEM 图，截面为矩形，宽 10500nm，长度可达几毫米7） ；(b)四针状晶体(TEM 图，直径约 50nm，长度为几百纳米，8)；(c)纳米棒(FE-SEM 图，直径 10200nm，长度约几微米，9)；(d)纳米线(SEM 图，直径 20100nm ,长度可达几微米，10)。利用自组织生长能得到特殊的 ZnO 纳米结构，因其结构形态和性质上的特殊性，近来受到广泛重视。特殊形态纳米结构的研究，有助于在理论和实验上了解局域结构体系中光电载流子的基本性质和传输过程，有助于设计和开发优异性能的新材料。如四针状氧化锌晶须，由于其特殊的结构而具有了一些特殊功能，目2前对它的研究也比较多。晶须是在人
15、为控制条件下以单晶形式生成的形状类似短纤维，而尺寸远小于短纤维的须状单晶体 11,12。由于它的直径小到难以容纳那种存在于大晶体中的缺陷，所以，它的结构几乎达到理想状态，其高度有序的原子排列结构使其强度和模量接近于材料的原子间价键的理论强度，是一类力学性能十分优异的新型复合材料的补强增韧材料 13,14。氧化锌晶须的研究工作开始于 20 世纪 80 年代中后期，它有针状和多角状(又称四脚状、四针状等简写为 T-ZnO，或 ZnOw)两大类 15。T-ZnO 晶须呈立体四针状，即晶须有一核心，从核心径向方向伸展出四根针状晶体，每根针状体均为单晶体微纤维，任两个针状体的夹角为 109。程敬泉等研究
16、的 T-ZnO 晶须的中心体直径 0.71.4m，针状体根部直径 0.0514m，针状体长度 3200m15,16。它是迄今为止被发现的极少的具有三维空间结构的晶体。 正是由于其独特的三维空间结构赋于了它许多特殊功能， 因此， 目前有关 T-ZnO图 1.1 几种特殊形态的纳米 ZnO （a）纳米带（b）四针体（c）纳米棒（d） 纳米线abcd3晶须的研究比较热，报导也相对较多17-21。1.1.1 T-ZnO 晶须的制备晶须的制备日本松下电器产业株式会社最早掌握了 T-ZnO 晶须的制备方法、装置，并实现了 T-ZnO 晶须的广泛应用 22。国内外陆续有学者对 T-ZnO 晶须的制备方法进行了研究，并进行了相关报导 23-27 。具体方法如下:(1)在惰性气氛中将锌粉先加热气化，然后再以惰性气体为载气，将锌蒸气引入含氧气体中，或将含氧气体吹入锌蒸气中，通过接触生成 T
