氧化锌及其复合半导体材料的制备、表征与性能研究

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氧化锌(ZnO)是一种n型半导体材料,禁带宽度为3.2eV,可以广泛的应用于纺织业、陶瓷行业、化妆品以及玻璃工业中。由于氧化锌本身的一些局限性以及在制备过程中出现的各种不稳定因素,限制了其实际的应用范围。为了克服这一缺点,将氧化锌与另外一种无机半导体材料复合,以期制备出兼具两种半导体优异性能的无机复合半导体材料,且表现出比氧化锌更优异的性能。因此,本文对氧化锌及其复合材料的探索具有重要的意义。本论文主要围绕氧化锌及其复合半导体材料的制备、表征和通过对所制备的复合物和氧化锌单体的性能对比分析,得出复合物较单一氧化锌的性能更为优异。研究内容如下:(1)海胆状氧化锌(ZnO)的合成、表征及光学性能研究以二水醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)和氢氧化钠(NaOH)为主要原料,二乙烯三胺(DETA)和去离子水作反应溶剂,采用一步溶剂热法成功制备出三维海胆状氧化锌纳米晶。单因素实验结果显示:温度、溶剂配比、反应时间等对氧化锌海胆的形貌和尺寸均有影响。通过跟踪不同反应时间下所制备氧化锌的扫描电镜图片及捕捉到的一些中间体,清晰地观察到由一维针状结构到三维海胆状结构的转变过程。因此,本文提出了氧化锌海胆的生长过程及形成机理。最后荧光光谱数据表明不同反应时间所制备的氧化锌纳米晶在紫外区和可见区都有发射峰,其中,反应10h所制备产物的荧光发射峰强度最大。(2)海胆状ZnO/CdS的制备、表征及吸附/光催化性能研究采用四水硝酸镉(Cd(NO3)2·4H2O)和硫代乙酰胺(CH3CSNH2)为包覆层原料,常温均匀沉淀法成功的将CdS纳米粒子组装在ZnO海胆的表面,合成了海胆状ZnO/CdS复合材料。通过XRD、SEM和TEM等多种技术对产物进行表征,表征结果表明:复合物由六方相的氧化锌海胆和立方相硫化镉纳米粒子组成。光学性能测试显示,因CdS包覆壳层的存在,复合物的荧光强度降低,氧化锌的特征峰蓝移。而对复合产物的吸附/光催化降解评估实验发现,较之ZnO单体,复合物ZnO/CdS对多种有机染料(甲基橙、罗丹明B、藏红T和亚甲基蓝)均展现出更为优异的吸附/光催化降解性能。(3)管状ZnO/FeS复合材料的制备、表征及其吸附性能研究以针状实心体ZnO为基底材料,亚铁氰化钾(K4[Fe(CN)6]·H2O)和硫代乙酰胺(CH3CSNH2)为包覆层原料,采用水热法成功合成了空心管状ZnO/FeS复合材料。通过XRD、SEM和TEM等多种技术对产物进行表征,结果显示:复合物由六方相管状结构ZnO和立方相FeS纳米片组成,且排列整齐的FeS纳米片垂直生长在管状ZnO结构的表面,纳米片厚度约为35nm。另外,通过对复合物ZnO/FeS和ZnO单体的紫外吸收性能和荧光性能的对比分析结果表明:复合物ZnO/FeS较ZnO单体表现出更为优异的光学性能。两者的有机染料(亚甲基蓝、罗丹明B、吡罗红和甲基橙)的吸附降解评估实验显示,复合物ZnO/FeS展现了更为优异的吸附降解效率。(4)水热法合成ZnO/ZnS复合材料及其光学性能研究以二水醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)和硫代乙酰胺(CH3CSNH2)为包覆层原料,于180℃水热条件下反应2h成功的合成了ZnO/ZnS复合材料,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、荧光光谱(FTR)和紫外可见分光光度计(Uv-vis)对所得产物进行表征,结果显示:复合物由六方纤锌矿氧化锌和立方相硫化锌组成,ZnS纳米粒子成功组装在ZnO单体的表面,成功地合成了ZnO/ZnS复合材料。光学性能研究显示,复合物ZnO/ZnS较ZnO单体表现出更为优异的光致发光性以及紫外吸收性能。(5)花状氧化锌纳米晶的制备、表征及光学性能采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)两种表面活性剂复配技术,于170℃水热条件下成功制备出花状ZnO纳米粉末。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和荧光光谱(FTR)对所得产物进行表征,并研究CTAB与SDBS的配比对氧化锌形貌的影响。结果表明:两种表面活性剂按4:1的比例(物质的量比)复配,可充分发挥其协同作用,成功制备出六方相花状ZnO结构,直径约2-3μm,而且这些微米花是由厚度均一的纳米片组装而成。荧光光谱数据表明所得氧化锌微晶在紫外区和可见区都有发射峰;其中,紫外区发射峰的荧光强度随反应时间的增加依次降低;可见区发射峰在反应时间为2h时荧光强度最大。
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