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铜、锌基微/纳米半导体材料的可控合成及应用研究

作　者: 刘俊
导　师: 耿保友
学　校: 安徽师范大学
专　业: 物理化学
关键词: 硫化锌氧化锌氧化亚制微/纳米半导体材料性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

微/纳米材料所具有的量子尺寸。效应,表面效应以及小尺寸效应,使其与块状材料相比具有更为特殊的物理性能和化学性能。同样,由于半导体材料有较宽的能带间隙,所以其中的电子动能较低,因此材料尺寸变小对于半导体材料的物理和化学性能的影响很大。与传统的块体半导体材料相比,微/纳米级的半导体材料具有一些独一无二的特性,因此可以应用于更多新的领域,如化学传感,生物传感,光催化降解等等。鉴于此,近十年中,对微/纳米级半导体材料的尺寸和形貌进行可控合成的报道比比皆是。并且在这些报道中,发展了很多的合成方法,可以大概地分为“自下而上”,“自上而下”两类方“自下而上”指的是以原子,分子或者离子为前躯体进行组装得到的微纳米级的产物,这类方法主要有化学共沉积法,水热法,溶胶一胶法,微乳液法等等。“自上而下”指的则是以块状材料为前躯体通过物理或者化学途径得到微纳米级产物,这类方法主要有化学气相沉积法,物理气相沉积,机械粉碎法等等。在众多的合成方法中,通过调节反应的温度、时间、反应物配比、反应物浓度,以及加入适量的表面活性剂,利用分子模板或硬模板等均可控制所得产物的形貌和尺寸。本文中,我们以铜、锌族半导体材料为研究对象,通过控制反应体系中的不同参数,可以得到不同形貌和尺寸的产物,并且研究了微/纳米级半导体材料在气体传感,生物传感以及光催化领域的应用,效果显著,具体工作内容如下:1.用水热法成功制备了异质结构的ZnS/Zn3(P04)2·4H2O,该异质结构为半球形,半球的平面为Zn3(P04)2·4H20,而半球的球面由ZnS纳米片交叉组装而成。实验中,通过控制H3PO4的体积,可以得到不同形貌的产物。我们提出了该异质结构可能的形成机制,并且研究了其在紫外光下光催化降解罗丹明B的性能。实验结果显示异质结构的ZnS/Zn3(P04)2·4H20降解1.0×10。M的罗丹明B溶液需要45分钟,催化效果比P25型Ti02以及ZnS微球都要好的多。ZnS/Zn3(P04)2·4H2O具有如此优越的催化性能是因为它较大的比表面积增加了光催化反应的活性点,以及特殊的异质结构所带来的能带间隙变宽。2.在没有使任何的表面活性剂或模板的辅助情况下,通过微波辐射加热的方法,合成了自组装的类球形Cu,0微结构。我们提出_了一种“成核.生长一裂开-自组装”的机理来解释这种微结构的生长过程。反应温度在类球形Cu2O微结构的生长过程中的作用最为关键。反应物浓度对产物的形貌和结构也有很重要的影响。这种类球形Cul0微结构制成的气敏元件对乙醇蒸汽和H2S气体进行探测,结果显示该气敏元件具有很高的灵敏度,响应、恢复时间分别为15 s和20 s,重现性好,连续重复四次,灵敏度大小基本不变。3.在室温下通过‘个简单的还原化学反应,以抗坏血酸为还原剂,成功地制备了核壳结构的Cu20。Ostwaids生长机理用来解释核壳结构的生长过程,并且研究了反应温度,反应时间对产物结构的影响,以此进一步验证所提出机理的合理性。此外,用核壳结构的Cu20制备成修饰电极对多巴胺进行探测,电化学阻抗测试,循环伏安测试以及差示脉冲伏安测试等电化学测试结果显示出修饰电极对多巴胺有非常好的响应效果。差示脉冲伏安测试图谱中的阳极峰值电流值在3.0×10。M到5×10-4M浓度范围之内呈线性关系,检出限可达10。M。修饰电极所显示的结果意味着核壳结构的Cu2O在生物传感领域有一定的应用前景。4.以PSS为软模板,利用水热法成功地制备了多层结构的znO。在试验中,通过训节反应物Zn(CH3C00)2·2H10与PSS的质量比,可以得到不同结构的产物。所得的多层结构Zn()具有六方的轮廓,而其由很多纳米片堆垛组成,纳米片的厚度也可以通过调节反应物Zn(cH3coO),·2H,0与PSS的质量比来控制。将这种特殊的多层结构Zn()制备成气敏元件,对乙醇和内酮蒸汽进行了探测,气敏测试结果显示气敏元件对乙醇和丙酮具有极好的响应,响应与恢复时间分别为4 s和6 s,被测物质浓度与灵敏度呈现良好的线性关系,证【1月该材料在气体传感领域具有重要的应用前景。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-12
第一章绪论  12-23
  1.1 传统半导体材料简述  12-13
  1.2 微/纳米半导体材料的基本特性  13-14
    1.2.1 量子尺寸效应  13
    1.2.2 小尺寸效应  13
    1.2.3 表面与界面效应  13-14
  1.3 微/纳米材料的合成合成方法  14
  1.4 微/纳米半导体材料的研究现状  14-16
    1.4.1 锌族半导体  14-15
    1.4.2 铜族半导体  15-16
  1.5 微/纳米半导体材料的发展趋势  16
  1.6 本文的研究内容  16-18
  参考文献  18-23
第二章半球形硫化锌/磷锌矿异质结构的合成及其结构增强的光催化性能  23-40
  2.1 引言  23-24
  2.2 材料的制备与表征  24
  2.3 结果与讨论  24-32
  2.4 光催化性能研究  32-34
  2.5 小结  34-35
  参考文献  35-40
第三章自组装的Cu_20 类球形微结构的合成及其气体传感性能研究  40-55
  3.1 引言  40-41
  3.2 材料的制备与表征  41
  3.3 结果与讨论  41-46
    3.3.1 结构与组成  41-43
    3.3.2 反应机理研究  43-44
    3.3.3 反应温度对产物形貌的影响  44-45
    3.3.4 反应物浓度对产物形貌的影响  45-46
  3.4 气敏研究  46-49
  3.5 小结  49-51
  参考文献  51-55
第四章 Cu_20 核壳结构的制备及其在生物传感方面的应用研究  55-67
  4.1 引言  55-56
  4.2 实验部分  56-57
  4.3 结果与讨论  57-60
    4.3.1 结构与组成  57-58
    4.3.2 反应机理的探究  58-59
    4.3.3 实验条件的影响  59-60
  4.4 多巴胺的探测  60-63
  4.5 小结  63-64
  参考文献  64-67
第五章多层结构的ZnO 水热合成及其气体传感性能的研究  67-82
  5.1 引言  67-68
  5.2 材料制备与表征  68
  5.3 结果与讨论  68-72
  5.4 生长机理研究  72-74
  5.5 气敏性能研究  74-76
  5.6 小结  76-77
  参考文献  77-82
第六章总结与展望  82-84
  一、总结  82-83
  二、展望  83-84
附录：攻读硕士研究生期间发表的论文目录及获奖情况  84-85
  一、发表论文情况  84
  二、获奖情况  84-85
致谢  85

铜、锌基微/纳米半导体材料的可控合成及应用研究

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