納米氧化鋅制備

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1、《材料現(xiàn)代制備方法》課程論文姓名：謝雷雨學(xué)號：2012010357班級：材料科學(xué)與工程1202教師：王小艷2014年12月8日1氣-固-液法（VLS法）制備納米ZnO利用高溫物理蒸發(fā)或有機金屬化合物的氣相反應(yīng)，通過氣體傳輸，可使反應(yīng)物沉積到低溫襯底上并生長為一維結(jié)構(gòu)，生長過程一般遵循Wagner和Ellis提出的VLS生長機理，這是傳統(tǒng)的生長一維材料的方法。在納米線生長過程中，先形成催化劑金屬（金、銀等）與納米材料的低共熔合金液滴，此液滴吸收氣相反應(yīng)物形成晶核。液滴中反應(yīng)物飽和時，納米線開始生長，系統(tǒng)冷卻后，合金液滴固化在納米線的頂端（圖1）。Pe

2、idongYang等基于VLS催化生長機制，用簡單的化學(xué)氣相輸運和凝縮的方法合成了ZnO納米線。通過控制催化劑合金團簇或金薄膜的起初位置和厚度分別來控制ZnO納米線陣列的位置和納米線的直徑。在不同的氣源條件下，還獲得了由ZnO納米線組成的各種形貌，如梳狀結(jié)構(gòu)、線陣列等（圖2）2氣相生長法制備納米ZnO氣相法的原理是利用蒸汽壓較大的材料，在適當(dāng)?shù)臈l件下，使其蒸汽凝結(jié)成晶體的方法，適合于生長板狀晶體。實驗裝置如圖3，Wang.Y.W等將含有合金納米顆粒的鋅粉裝在氧化鋁舟中，蓋上石英片，放入管式爐中央，在氬（90%）、氧（10%）氣氛快速加熱到900℃，保持10mi

3、n后，冷卻至室溫，可制得直徑30-60nm的ZnO納米線。生長時，原料區(qū)的溫度控制于800-1150℃，生長區(qū)和原料區(qū)的溫度差控制于20-200℃，常用的輸運載體為HCL、Cl2、NH3、NH4Cl.、HgCl2、H2、Br2、ZnCl2等。1999年，J.M.Ntep等在H2或Ar中加入微量的H2O作為ZnO升華的催化劑生長ZnO單晶。一年以后，他們所在的實驗室又用Cl2和C作傳輸載體制得了厘米量級的質(zhì)量很好的納米單晶(圖4）。2003年，H.Z.Zhang等用氣相法在玻璃襯底上合成了c軸擇優(yōu)生長的氧化鋅納米棒，系統(tǒng)壓強0.001-0.008MPa，氬氣流速

4、140-150sccm，鋅源和玻璃襯底溫度分別為500℃、370℃反應(yīng)持續(xù)時間10min，所得納米棒分布均勻(圖5)，每個納米棒都由頭部、體、底部三部分組成，沿[001]取向生長，直徑約240nm，高度約400nm。分析光致發(fā)光譜（PL），發(fā)現(xiàn)納米棒陣列在3.3eV有較強的紫外-可見發(fā)射峰（UV）和一個較寬的綠光發(fā)射，有效促進紫外-可見發(fā)射器的進一步發(fā)展。同年，Y.J.Xing等用Zn/ZnO混合物，Si(5*20)作襯底，壓強300toor，在氬保護氣（40sccm）中，溫度700℃下，有效合成了氧化鋅納米管（圖6）。此納米管的平均直徑60nm，長度幾十個微

5、米，管壁厚約4nm，呈規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析可能是在特殊條件下納米管以ZnO微晶體為基底生長，即底部籽晶法，生長機理如圖7，初始形成富Zn的亞穩(wěn)定籽晶后（圖7(a)），在籽晶表面生長出一層穩(wěn)定的ZnO鞘層（圖7(b)），隨著ZnO鞘的生長，亞穩(wěn)定的籽晶慢慢消失，這樣就得到了ZnO的納米管結(jié)構(gòu)（圖7(c)），底部籽晶法有可能成為ZnO生長技術(shù)創(chuàng)新的一個突破口，為氧化鋅單晶的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供一條可行的途徑。通過控制生長參數(shù)、改變反應(yīng)條件等，氣相生法能在不同的襯底上生長出不同種類、不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體氧化物單晶。2005年，美國佐治亞理學(xué)院王中林領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在此法的基

6、礎(chǔ)上發(fā)了氣固生長法（原理、裝置與氣相生長法相同），僅生長出了ZnO納米帶，還制備出了一系列功氧化物的納米帶家族(如SnO2、In2O3、CdO納米帶)以及相關(guān)的納米棒、納米線等，此外還實了氧化鋅納米帶向超晶格結(jié)構(gòu)的納米螺旋結(jié)構(gòu)(類似DNA螺旋結(jié)構(gòu)）的轉(zhuǎn)變。通過高倍掃描電子微鏡觀察（圖8），所得納米螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為300-700nm，寬度為100-500nm，間距為500-2500nm。圖8(a)、(c)分別為左手型，圖8（b）為右型，圖8(d)是高倍SEM下ZnO右手型呈現(xiàn)均勻滑的完美結(jié)構(gòu)。X射線能譜分析顯示沒有任何缺陷和雜質(zhì)。目前，此研究組已經(jīng)將壓電納米帶和

7、納米環(huán)成功應(yīng)用到微米、納米電化學(xué)系統(tǒng)中的傳感器、轉(zhuǎn)換器、激勵器中，但由于其合成條件及成本的限制，離市場化還很有很長一段時間。氣相生長法制得的納米ZnO粒徑小，產(chǎn)品單分散性好，反應(yīng)條件易控制，易得到均勻的超細(xì)粒子。缺點是產(chǎn)物中有原料殘存，工藝技術(shù)較復(fù)雜，成本高，一次性投資大。3.水熱法制備納米ZnO水熱法是將反應(yīng)前驅(qū)物可溶鋅鹽溶液和堿分置于管狀高壓釜中，在反應(yīng)溫度300℃，體系壓力20MPa下，分置的鋅鹽和堿液迅速混合進行反應(yīng)。其實質(zhì)是：將可溶性鋅鹽和堿液混合形成氫氧化鋅的“沉淀反應(yīng)”和氫氧化鋅脫水生成氧化鋅的“脫水反應(yīng)”集合在同一反應(yīng)器內(nèi)同時完成，得到比普通水

8、熱反應(yīng)顆粒度小許多的結(jié)晶完好的ZnO晶