PbTe纳米材料的可控化学制备

来源 :浙江大学材料科学与工程学系 浙江大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:snowin11
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不同尺寸和形貌的纳米材料具有特殊的物理和化学性能,在光学、生物、磁学、能源等方面有重要的应用价值,因此纳米材料的可控制备是发展纳米器件的重要前提和条件。碲化铅(PbTe)是一种重要的窄带半导体材料,在温差发电和红外探测等方面有着重要的应用。理论计算和实验证明PbTe材料的低维化可显著提高热电和光电性能。本文采用低温湿化学法和水热法,制备出了不同的PbTe纳米结构,包括纳米立方颗粒、纳米棒、纳米片、纳米盒以及分级结构等。通过系统考察反应时间和温度、NaOH浓度、表面活性剂、还原剂等对合成产物的影响,研究了PbTe纳米材料的可控制备,并分析了不同纳米结构的生长机理。论文的主要创新性成果如下:(1)以Pb(CH3COO)2·3H2O和Na2TeO3为反应物,NaBH4为还原剂,采用低温湿化学法制备了具有粗糙表面的PbTe多晶纳米棒。PbTe纳米棒直径为50-200 nm,棒长大于1μm,纳米棒由30-50nm粒径的纳米颗粒组成,接近PbTe的激子玻尔半径(46nm)。这种粗糙的表面和纳米颗粒组成的多晶结构有利于提高材料的热电性能。研究发现,不同于PbTe单晶纳米棒的oriented attachment生长机制,PbTe多晶纳米棒是由Te棒作为模板生成的。Pb原子扩散到预先形成的Te棒上与之反应,PbTe在Te上形核,随着反应时间的增加Te逐渐被消耗,PbTe晶粒慢慢长大,最后形成由多个PbTe纳米颗粒组成的多晶纳米棒。(2)以Pb(NO32和Na2TeO3为反应物,NaBH4为还原剂,在水热条件下,未添加任何表面活性剂制备了PbTe三维分级结构,包括漏斗状结构、花状结构和树枝状结构。这些对称的结构都为单晶。通过FTIR吸收谱计算出分级结构的禁带宽度为0.29 eV。PbTe的分级结构的生长分为形核和长大两个阶段,分别由动力学和扩散效应控制。PbTe的形核和初期的生长由动力学控制,PbTe属于面心立方晶系,因此会形成具有六个光滑{100}面的立方颗粒。当这种结构形成后,由于Berg效应,pb2+和Te2-在每个面上的分布不均匀,在每个面边缘和角上的浓度高于中心的浓度,造成了漏斗状结构和花状结构的产生。在这过程中高浓度的NaOH起到了关键作用。随着反应的进行,PbTe晶体的生长由扩散效应控制,从而形成了PbTe树枝状结构。(3)以Pb(NO32和Na2TeO3为反应物,N2H4·H2O为还原剂,PVP为表面活性剂,在水热条件下制备了单晶PbTe纳米片。这种纳米片具有光滑的表面和规则的长方形结构,片尺寸为0.25μm,厚度为20-80nm。由于PbTe属于面心立方结构,水热条件下一般生成立方颗粒,目前并没有PbTe纳米片的相关报道。研究发现N2H4·H2O、PVP和高浓度的NaOH这三者在PbTe纳米片的生长过程中起到了关键的作用。首先N2H4·H2O中-NH2和OH-发生氢键的结合生成二维结构的软模板,PbTe在这软模板中形核。同时,PVP能吸附在(100)面控制PbTe晶粒的定向排列,进一步促进片状结构。
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