幾種半導體納米材料的液相控制合成、形成機理及性能研究.pdf

1、半導體納米材料作為納米家族中極為重要的成員，因其獨特的光、電、熱等性能使其在未來各種功能器件中發揮重要作用?？茖W家們通過對半導體納米材料的研究發現：半導體納米材料的微觀結構，如顆粒形貌、粒徑尺寸、特殊的表面和晶體結構、粒徑分布、顆粒分散性，對其發光性能、機械加工性能及催化性能等有非常重要的影響。尤其是具有可控形貌和結構的半導體納米材料不僅具有優良的光、電、磁和力學性能，而且在分子識別、選擇性催化、生物傳感，材料加工、納米器件、超高密度存

2、儲及隱身材料等新半導體納米功能材料的開發中也展顯出誘人的應用前景。因此，如何控制合成不同形態結構的半導體納米材料來發掘其新的奇特物理化學特性，以及找到其相應的應用領域已經成為當前國內外研究人員不懈追求的目標。
　　 本論文采用液相合成法成功制備了具有可控形貌的ZnO、ZnS、CdS半導體納米結構材料，并對ZnS進行過渡金屬摻雜改性研究。通過選擇不同的溶劑、在反應溶液中加入添加劑及改變溶劑配比等實驗手段，可以實現對這些半導體納米材

3、料形貌和結構的精確控制，并討論了其相應的生長機理。利用X射線粉末衍射儀(XRD)、場發射掃描電鏡(FE-SEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)、近場掃描顯微系統(SNOM)，表面分析儀(ASAP2020)、以及表面光電壓譜(SPS)等測試手段對產物的組成、結構、形貌、表面積及光電性能進行表征分析。論文具體工作內容如下：
　　 1、采用簡單、經濟的乙醇胺輔助的一步水熱合成方法，在不加任何其它有機長鏈分子的條件下，通過在反應溶液中加

4、入小分子乙醇胺試劑制備出了形態各異的ZnO微納米結構。通過控制反應混合物的組成發現，乙醇胺在反應溶液中起自組裝劑和結構導向劑的作用，是制備出花狀、梭狀、劍狀和傘狀等ZnO微納米結構不可缺少的添加劑。乙醇胺作為一種簡單、低價的有機小分子在控制ZnO形態結構的形成過程中起到了非常重要的作用。此外，我們還對所制備的不同形貌的ZnO產物進行了結構性能表征，并對生長機制進行了探討。在對不同形貌的ZnO產物進行光催化降解亞甲基藍的實驗中發現，具有最

5、小比表面積的花狀ZnO表現出最好的催化性能，并對其原因進行了初步分析。乙醇胺輔助的一步水熱合成方法簡單且經濟，為可控合成其它納米結構提供了一種選擇途徑。
　　 2、開發了一種簡單、經濟的三元混合溶劑熱方法，混合溶劑是用乙二胺，乙醇胺和去離子水三試劑混合而成。用此三元混合溶劑熱法，我們可控制備了具有復雜海膽狀結構的ZnS和CdS半導體會屬硫化物，采用多種測試手段對其形貌、結構和光學性能進行了表征分析，并提出了相應的形成機理。結構測

6、試表明海膽狀納米結構是由大量緊密排列在一起由里向外發射的納米棒構成，此納米棒具有六方單晶結構，沿[001]方向生長，其形狀和大小與溶液組成有關。此外，通過改變溶劑比例，我們還得到了具有網狀ZnS微球和條狀、棒狀及粒狀的ZnS低維納米結構，并且發現海膽狀納米結構的形成與具有不同官能團的乙二胺和乙醇胺所產生的協同作用密不可分。隨溶液組分的變化，產物的物相結構和光致發光性能在一定程度上也會發生變化。這種簡單、經濟的三元混合溶劑熱合成方法可擴展

7、到其它復雜納米結構材料的制備上來。
　　 3、以鋅片做基底和鋅源，首先用三元混合溶劑熱合成方法制備出了錐狀結構的ZnO納米材料。通過控制溶劑比或選擇不同的溶劑得到了六方形片狀、棒狀ZnO納米結構，并研究了溶液調控生長的機制。ZnO納米錐在325nm激光的激發下，僅在382nm處有一紫外發射峰，對應于ZnO的帶邊發射。此外，繼續用鋅片做基底，通過選擇十二烷基苯磺酸鈉輔助的水熱法制備出大量分布均勻，具有六方纖鋅礦結構的ZnO納米針，

8、并對其進行的組成、物相和形貌表征分析，探討其生長機制。
　　 4、繼續采用三元混合溶劑合成方法對ZnS進行Mn、Cu、Co等過度元素摻雜，成功制備了過渡金屬元素摻雜的ZnS復雜納米結構。在與制備復雜ZnS海膽狀結構具有相同溶劑配比的溶液里對其成功的進行了Mn摻雜，并通過XRD和FE-SEM對其物相和形貌進行表征，結構測試表明，經Mn摻雜后的ZnS海膽狀結構更規則，晶型保持不變。TEM和EDS測試進一步表明Mn摻雜ZnS海膽狀結構

9、由Zn、Mn和S三種元素組成，其化學計量組成為Zn0.97Mn0.03S，無其它雜質相出現，為六方單晶結構。PL光譜分析表明，Mn摻雜ZnS在587nm處有一強的橙色發射帶，表明錳離子已摻雜到ZnS晶格去。在Mn離子的摻雜濃度為3％時，橙色發光最強，錳離子是Mn摻雜ZnS海膽狀結構的主要發光元素。SPV光電壓響應曲線表明，Mn摻雜ZnS海膽狀結構在300～500nm范圍內有很強的光電壓響應。隨后通過調節溶劑比，我們又得到了Cu摻雜ZnS