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金属还原剂热蒸发法合成ZnO微/纳米材料

作　者: 桑丹丹
导　师: 李红东
学　校: 吉林大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 热蒸发法 ZnO微/纳米材料 金属还原剂 生长机制 ZnO/金刚石
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 74次
引　用: 1次
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内容摘要


ZnO是一种直接带隙和高激子束缚能半导体材料,因此ZnO微/纳米材料在微电子学、磁学、场发射等方面具有很好的应用。热蒸发法被认为是制备具有各种形貌和特殊性质ZnO微/纳米材料的重要方法之一。石墨是该方法中最常使用的还原剂,与ZnO粉末混合作为蒸发源制备ZnO微/纳米材料。通常情况下该方法蒸发源的加热温度高于900oC。另外在实际应用中,可能需要非碳环境或低温条件,因此非碳、低温条件下的合成实验对开展ZnO相关材料的研究与应用具有重要的研究价值。本论文通过热蒸发法,使用多种金属粉包括:钛（Ti）、锰（Mn）、铁（Fe）、铝（Al）、镁（Mg）,替代传统的石墨作为还原剂,与ZnO粉混合,制备出ZnO微/纳米材料。实验表明,使用以上金属还原剂,相应的加热温度比石墨作为还原剂时降低了100-500℃,我们将这种现象归因于金属元素相对于石墨具有更强的还原性。加热温度的降低导致生长温度随之降低。实验发现,各金属还原剂对应不同的加热温度,分析表明加热温度强烈依赖于相应的电离势大小。反应过程中随着生长温度的降低,ZnO饱和蒸气压逐渐减小,导致ZnO微/纳米材料逐渐从微米膜结构变化到纳米棒状结构,并且低生长温度区域氧气的含量较高,导致ZnO微/纳米材料的长度增加。工作气压的改变对ZnO微/纳米棒的形貌具有很大影响,低气压（<1atm）下进行实验ZnO微/纳米材料长径比减小,由于低压下从源材料里蒸发出来的Zn蒸气受到限制。除了将金属还原剂与ZnO粉末混合放置,我们还研究将还原剂和ZnO分开放置的实验,推断出ZnO和金属粉末的氧化还原反应是一个气态?气态的反应过程。使用金属还原剂和ZnO作为反应源,可以在硅基底及空气中高温环境下不稳定的金刚石膜上生长ZnO微/纳米材料。研究了纳米金刚石膜上生长ZnO微/纳米材料的场发射性能,ZnO纳米棒开启电压约为4Vμm-1,大大低于纳米金刚石薄膜的开启电压(约17Vμm-1),表明生长ZnO纳米棒的金刚石膜的场发射性能比多晶纳米金刚石薄膜的场发射性能有很大改善。

全文目录


内容提要  4-9
第一章 绪论  9-23
  1.1 ZnO 微/纳米材料性质及应用前景  9-11
  1.2 ZnO 的生长机制  11-14
    1.2.1 晶面生长的不同速度决定的生长机制  11-13
    1.2.2 极性面决定的特殊生长机制  13-14
  1.3 纳米结构 ZnO 的特性  14-15
    1.3.1 光学特性  14
    1.3.2 场发射性能  14-15
    1.3.3 气敏特性  15
    1.3.4 压敏特性  15
  1.4 ZnO 微/纳米材料的应用  15-18
    1.4.1 纳米激光器  16
    1.4.2 紫外探测器  16
    1.4.3 纳米气敏感应器  16-17
    1.4.4 纳米发电机  17
    1.4.5 其他应用  17-18
  1.5 ZnO 微/纳米材料的制备方法  18-21
    1.5.1 化学气相沉积和金属有机化学气相沉积方法  18-19
    1.5.2 水热和溶剂热法  19
    1.5.3 溶胶凝胶法  19-20
    1.5.4 喷雾热解法  20
    1.5.5 热蒸发法  20-21
  1.6 论文选题的目的及内容  21-23
第二章 制备方法与表征手段  23-28
  2.1 引言  23
  2.2 实验药品  23
  2.3 实验仪器和实验过程  23-25
  2.4 ZnO 微/纳米材料的表征手段  25-28
    2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）  25
    2.4.2 X 射线衍射(XRD)  25-26
    2.4.3 拉曼光谱仪  26
    2.4.4 场发射测试装置  26-28
第三章 以金属为还原剂的 ZnO 微/纳米材料制备和表征  28-39
  3.1 引言  28
  3.2 金属还原剂合成 ZnO 微/纳米材料的制备  28-29
  3.3 金属还原剂制备ZnO 微/纳米材料的形貌分析  29-34
    3.3.1 Ti/ZnO 制备ZnO 微/纳米材料的形貌分析  29-30
    3.3.2 Mn/ZnO 制备ZnO 微/纳米材料的形貌分析  30-31
    3.3.3 Fe/ZnO 制备ZnO 微/纳米材料的形貌分析  31-32
    3.3.4 Al/ZnO 制备ZnO 微/纳米材料的形貌分析  32-33
    3.3.5 Mg/ZnO 制备ZnO 微/纳米材料的形貌分析  33-34
  3.4 金属还原剂制备ZnO 微/纳米材料的组分分析  34-36
  3.5 金属还原剂制备ZnO 微/纳米材料的XRD 结构分析  36-37
  3.6 金属还原剂制备 ZnO 微/纳米材料的拉曼光谱分析  37-38
  3.7 本章小结  38-39
第四章 影响形貌变化因素与生长机制分析  39-43
  4.1 引言  39
  4.2 生长温度和工作气压对形貌的影响  39-40
  4.3 金属还原剂在 ZnO 微/纳米材料生长中的作用  40-42
    4.3.1 还原剂对ZnO 微/纳米材料生长的影响  40
    4.3.2 加热温度T_(heat)与金属电离势和蒸汽压的关系  40-42
    4.3.3 反应过程机制  42
  4.4 本章小结  42-43
第五章 金刚石基底上合成 ZnO 微/纳米材料及其场发射研究  43-48
  5.1 引言  43
  5.2 金刚石基底上合成ZnO 微/纳米材料  43-44
  5.3 金刚石薄膜基底生长ZnO 纳米棒的场发射性能研究  44-47
  5.4 本章小结  47-48
第六章 全文总结  48-49
参考文献  49-56
学术论文及取得的科研成果  56-57
致谢  57-58
中文摘要  58-60
Abstract  60-61

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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