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化学气相法制备ZnO晶体工艺及生长机理

作　者: 杨京明
导　师: 牟国栋
学　校: 西安科技大学
专　业: 材料学
关键词: 气相法 晶体形貌 T-ZnO ZnO晶体生长
分类号: O781
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


ZnO是一种集光电、压电、气敏、压敏等性能于一身的多功能材料。而且随着近年来,ZnO纳米线、纳米带、晶须等形态ZnO的成功制备,不仅其原本的性能得到提高,而且表现出一些独特、新奇的性质。在各种功能信息材料中,ZnO极具发展潜力,有着广泛的应用前景。如何控制ZnO的结晶形态是目前实现ZnO工业生产需要解决的主要问题。ZnO多姿的结晶形态已经成为ZnO研究的热点。本论文采用化学气相法制备了氧化锌晶体,通过对原料、实验设备、预热温度、反应温度、保温时间、气体流量的考察,总结出各个工艺条件对晶体生长的影响规律,实现对氧化锌晶体的可控生长。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对各种形态的产物进行成分、形貌和结构的表征,并对氧化锌晶体的光学特性进行了初步的研究。以锌颗粒为原料时,能获得形貌较好的氧化锌晶体;当炉膛的预热温度在400~500℃,反应温度在1100℃时,能够获得微米级氧化锌晶体。随着保温时间的增加,晶体尺寸也随着增加,由于受限于反应设备和原料的量,当保温时间超过5小时,晶体尺寸及产量没有明显的提高。获得的氧化锌晶体具有很好的结晶特性。在不同的外部条件下,生长出了颗粒状、针状、棒状、铅笔状、刺猬状、多针状、叶片状、梳状、螺旋桨状、四角状等形貌丰富的氧化锌晶体。从氧化锌晶体的光致发光谱可知,其具有近紫外发光特性及绿光特性。氧化锌晶体在紫外光催化下,降解甲基橙的降解率可达到60%。分别从晶体学、晶体生长动力学、晶体生长热力学等方面,结合实验条件,对氧化锌晶体的生长过程进行描述。氧化锌晶体的生成过程包括成核、晶体的轴向生长、晶体的径向生长、停止生长四个阶段。

全文目录


摘要  2-3
ABSTRACT  3-7
1 绪论  7-19
  1.1 引言  7-8
  1.2 ZnO 的结构  8-10
    1.2.1 ZnO 的晶体结构  8-9
    1.2.2 ZnO 的能带结构  9-10
  1.3 ZnO 的性质  10-13
    1.3.1 ZnO 基本性质  10-11
    1.3.2 ZnO 其他特性  11-13
  1.4 ZnO 的用途  13-14
  1.5 气相法制备ZnO 晶体  14-18
    1.5.1 气相法制备ZnO 晶体的方法  15-16
    1.5.2 气相法制备ZnO 晶体的机制  16-17
    1.5.3 气相法制备的ZnO 晶体形态  17-18
  1.6 课题的研究意义及内容  18-19
    1.6.1 课题研究意义  18
    1.6.2 课题研究内容  18-19
2 气相法制备ZnO 晶体的试验研究  19-24
  2.1 原料及主要仪器  19
  2.2 实验过程  19-21
    2.2.1 箱式炉实验装置  20-21
    2.2.2 箱式炉实验设计  21
    2.2.3 管式炉实验装置  21
    2.2.4 管式炉实验设计  21
  2.3 分析表征方法  21-23
    2.3.1 X 射线衍射(XRD)分析  21-22
    2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)分析  22
    2.3.3 透射电子显微镜(TEM)分析  22
    2.3.4 光致发光(PL)测试  22-23
    2.3.5 光催化测试  23
  2.4 本章小结  23-24
3 ZnO 晶体的物相、结构和性能研究  24-43
  3.1 物相分析  24-25
  3.2 结构与形貌  25-39
    3.2.1 颗粒状ZnO 晶体  25-26
    3.2.2 沿极轴生长的晶体形貌  26-33
    3.2.3 垂直极轴生长的晶体形貌  33-36
    3.2.4 四角状ZnO 晶体  36-39
  3.3 光学性能  39-42
    3.3.1 光致发光特性  39-40
    3.3.2 光催化性能  40-42
  3.4 本章小结  42-43
4 ZnO 晶体生长机理研究  43-53
  4.1 ZnO 晶体键型  43-45
    4.1.1 Zn-O 离子键百分含量  43-44
    4.1.2 Zn 和O 杂化  44-45
  4.2 ZnO 晶体的生成机理  45-52
    4.2.1 Zn 的氧化  45-46
    4.2.2 ZnO 晶体的生长  46-47
    4.2.3 ZnO 晶体生长热力学  47-51
    4.2.4 ZnO 晶体生长动力学  51-52
  4.3 本章小结  52-53
5 结论  53-54
致谢  54-55
参考文献  55-58

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中图分类: > 数理科学和化学 > 晶体学 > 晶体生长 > 晶体生长理论
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