纳米氧化锌.ppt
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1、纳米氧化锌2024/1/24 周三周三开题报告之组长:组长:成员:成员:.主要内容简介分类合成方法应用现状与发展.氧化锌简介第三代半导体材料第三代半导体材料 禁带宽度:禁带宽度:3.37eV纯氧化锌是纯氧化锌是N型半导体型半导体 又称宽禁带半导体或高温半导体 SiC,GaN,ZnO,AlN,金刚石 很多优异的性能 晶体中有填隙原子Zn和氧空位缺陷,锌是浅能级缺陷氧空位是神能级缺陷ZnO的激子束缚的激子束缚能为能为60meV.氧化锌结构a.岩盐矿结构b.闪锌矿结构c.六方纤锌矿结构.氧化锌性能n 体积效应体积效应n 表面效应表面效应n 量子尺寸效应量子尺寸效应n 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应
2、n 界面相关效应界面相关效应n 介电限域效应介电限域效应微粒分散在异质介质中由于界面能的存在,引起体系介电性能增强的现象。当微粒的折射率和介质的折射率相差很大,微粒表面和内部的场强比入射场强显著增加,引起的局部场强增加的现象就是介电限域效应。这种纳米微粒的介电限域效应对材料的光吸收、光学非线性、光化学性能等有非常重要的影响。.其晶格中可能产生的本征点缺陷有6 种:氧空位、锌空位、反位氧、反位锌、氧填隙以及锌填隙。从能级角度分类,点缺陷可分为浅能级缺陷和深能级缺陷,其中深能级对氧化锌的光学性质影响较大。研究认为,位于465520nm 的蓝-绿可见发光带主要是氧化锌的深能级缺陷引起的。氧化锌发光.
3、氧化锌掺杂压电性能 光学性能 气敏特性 电学性能 催化性能目的:改善性能杂质:稀土、铝、锡、氮、铜、银.纳米氧化锌材料的分类按制备方法固相法液相法气相法.固相法固相法 固相法:是将金属盐或金属氧化物按一定比例充分混合、研磨后进行煅烧,通过发生固相反应直接制得纳米粉末。优缺点:运用固相法制备纳米ZnO 具有操作和设备简单安全,工艺流程短等优点,所以工业生产前景比较乐观,其不足之处是制备过程中容易引入杂质,纯度低,并且容易使金属氧化,颗粒不均匀以及形状难以控制.液相法液相法液相法:制备纳米微粒是将均相溶液通过各种途径使溶质和溶剂分离,溶质形成一定形状和大小的颗粒,得到所需粉末的前驱体,热解后得到纳
4、米微粒。优缺点:液相法具有设备简单、原料容易获得、纯度高、均匀性好、化学组成易于控制等优点。液相法包括沉淀法、水解法、水热法、微乳液法、溶胶-凝胶法等,其中应用最广的是溶胶-凝胶法和沉淀法。.气相法气相法气相法:指直接利用气体或者通过各种手段将物质变为气体,使之在气体状态下发生物理或化学反应,最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。气相法包括溅射法、化学气相反应法、化学气相凝聚法、等离子体法、激光气相合成法、喷雾热分解法等。.纳米氧化锌材料的分类纳米氧化锌材料的分类按结构形式分零一维形式二三维形式复合形式.零维形式零维形式金属氧化物粉末如氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝及氧化镁等,将
5、这些粉末制成纳米级时,由于微粒之尺寸与光波相当或更小时,由于尺寸效应导致使导带及价带的间隔增加,故光吸收显著增强。各种粉末对光线的遮蔽及反射效率有不同的差异。以氧化锌及二氧化钛比较时,波长小于350纳米(UVB)时,两者遮蔽效率相近,但是在350400nm(UVA)时,氧化锌的遮蔽效率明显高于二氧化钛。同时氧化锌(n=1.9)的折射率小于二氧化钛(n=2.6),对光的漫反射率较低,使得纤维透明度较高且利于纺织品染整。.一维形式一维形式 目前,ZnO 一维纳米材料及其纳米结构的合成方法主要有化学气相沉积、基于VLS 机理的催化生长以及磁控溅射法等气相法以及模板辅助合成、电化学沉积 和溶液生长等液
6、相法。与设备昂贵且能耗高的气相法相比,液相法合成ZnO 一维纳米材料具有设备简单以及合成温度低的特点。其中,不需借助任何模板、表面活性剂以及外加电场的溶液生长法更是具有容易调控材料尺寸、成本低且便于大规模化的优势。因此,近年来,溶液生长ZnO 一维纳米材料并构筑其复合纳米结构的研究成为了国际热点研究课题.二维形式二维形式 薄膜的外延生长温度较低,有利于降低设备成本,抑制固相外扩散,提高薄膜质量,也易于实现掺杂。薄膜所具有的这些优异特性,使其在表面声波器件、太阳能电池等诸多领域得到了广泛应用。随着 光泵浦紫外受激辐射的获得和_ 型掺杂的实现,薄膜作为一种新型的光电材料,在紫外探测器、等领域也有着
7、巨大的发展潜力。.三维形式三维形式 自从报导用热蒸发法合成了ZnO 纳米晶粒自组装的多面笼、球壳结构以来,许多研究人员相继报导了各自在不同的实验条件下用热蒸发法合成的ZnO 微纳米空心球结构。合成的ZnO 纳米晶粒自组装的多面笼、球壳的SEM图像,是Lu和L iao等人合成的内外表面生长有纳米线的ZnO 空心微球的SEM图像.复合形式复合形式 纳米氧化锌的导热性能明显优于炭黑和白炭黑等传统补强填料,其对EPDM具有较好的补强作用,纳米氧化锌/EPDM复合材料的生热较低;采用偶联剂Si69对纳米氧化锌进行原位改性可以改善纳米氧化锌粒子与EPDM间的界面作用,提高其分散性,从而显著提高复合材料的物
8、理性能,降低生热;改性纳米氧化锌/EPDM复合材料的物理性能和导热性能良好,可用于动态工况下使用的橡胶制品。.n 纳米纳米ZnO粉体(零维)粉体(零维)n 纳米纳米ZnO阵列(一维)阵列(一维)n 纳米纳米ZnO薄膜(二维)薄膜(二维)n 纳米纳米ZnO晶体(三维)晶体(三维)固相法、气相法、液相法。固相法、气相法、液相法。纳米ZnO的合成方法固相法制备纳米氧化锌的原理是将两种物质分别研磨、混合后,充分研磨得到前驱物,再加热分解得到纳米氧化锌粉末。气相法可分为物理气相沉积法、脉冲激光沉积法、化学气相传输氧化法等。气相生长法制得的纳米氧化锌粒径小、产品分散性好,反应条件易控制,易得到均匀超细粒子
9、,缺点是产物中有原料残存,工艺技术较复杂,成本高,一次性投资大。.n 直接沉淀法直接沉淀法n 均匀沉淀法均匀沉淀法n 水热合成法水热合成法n溶胶溶胶凝胶法凝胶法溶胶一凝胶法是化学和材料领域中的重要溶胶一凝胶法是化学和材料领域中的重要制备过程,通常以金属醇盐及酸盐为原料,制备过程,通常以金属醇盐及酸盐为原料,在有机介质中进行水解和缩聚,使溶液经在有机介质中进行水解和缩聚,使溶液经溶胶一凝胶化过程得到凝胶,进而干燥,溶胶一凝胶化过程得到凝胶,进而干燥,煅烧凝胶即得纳米氧化锌粉煅烧凝胶即得纳米氧化锌粉均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢而均匀
10、的释放出的构晶离子由溶液中缓慢而均匀的释放出来的方法。在该方法中,加入的沉淀剂不来的方法。在该方法中,加入的沉淀剂不立刻与被沉淀组分反应,而是通过化学反立刻与被沉淀组分反应,而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中均匀释放出来从应使沉淀剂在整个溶液中均匀释放出来从而使沉淀物在整个溶液中缓慢析出,然后而使沉淀物在整个溶液中缓慢析出,然后再将沉淀煅烧即得纳米氧化锌粉体。再将沉淀煅烧即得纳米氧化锌粉体。纳米ZnO液相合成技术n 超声波合成法超声波合成法n 喷雾热分解法喷雾热分解法直接沉淀法是采用锌盐为锌源,氨水、直接沉淀法是采用锌盐为锌源,氨水、氢氧化钠、碳酸钠为沉淀剂,制得含氢氧化钠、碳酸钠为沉淀剂,
11、制得含锌的沉淀物。然后将沉淀物煅烧即得锌的沉淀物。然后将沉淀物煅烧即得氧化锌粉氧化锌粉沉淀物颗粒晶型成整且致密,避免了杂志的共沉淀,粒子的粒径分布均匀,分散性好。反应条件温和,易于洗涤,工业前景好,但由于Zn(OH)2的两性,PH必须维持在狭小的范围内。水热合成法制备纳米氧化锌一般是先采用直水热合成法制备纳米氧化锌一般是先采用直接沉淀的方法制备出含锌的前驱体,然后将接沉淀的方法制备出含锌的前驱体,然后将前驱体溶解在水热介质中,在一定的温度和前驱体溶解在水热介质中,在一定的温度和时间下水热反应。由于含锌的前驱体在水热时间下水热反应。由于含锌的前驱体在水热条件下会溶解,生成含锌的过饱和溶液,氧条件
12、下会溶解,生成含锌的过饱和溶液,氧化锌成核生长,从而制得氧化锌粉化锌成核生长,从而制得氧化锌粉.六水合硝酸锌六水合硝酸锌掺杂物质掺杂物质混合溶液混合溶液 蒸干多余硝酸蒸干多余硝酸 搅拌均匀搅拌均匀乙醇胺乙醇胺透明溶液透明溶液退火退火反应釜反应反应釜反应聚乙二醇聚乙二醇硝酸硝酸离心、分离离心、分离水热法制纳米粉水热法制纳米粉.n 纳米纳米ZnO粉体(零维)粉体(零维)n 纳米纳米ZnO阵列(一维)阵列(一维)n 纳米纳米ZnO薄膜(二维)薄膜(二维)n 纳米纳米ZnO晶体(三维)晶体(三维)模板法、化学气相沉积法、微模板法、化学气相沉积法、微波法、溶液法波法、溶液法纳米ZnO的合成方法模板法是一
13、种合成纳米结构的最直接的方法。模板法制备纳米材料的主要原理是利用中空通道的模板材料限制材料的生长方向,使其沿一维方向生长。这种方法主要经历了气固过程或气液固过程,即蒸发原材料在升温过程中汽化,在特定的温度、压力和原子气氛条件下,衬底表面上的蒸气和相互反应在基底上生成目标产物。.清洗基片清洗基片乙酸锌乙酸锌混合溶液混合溶液涂布甩膜涂布甩膜烘干烘干晶种晶种水浴加热水浴加热纳米纳米ZnO阵列阵列高温退火高温退火硝酸锌硝酸锌混合溶液混合溶液HMT乙醇乙醇水热法制纳米氧化锌阵列水热法制纳米氧化锌阵列.n 纳米纳米ZnO粉体(零维)粉体(零维)n 纳米纳米ZnO阵列(一维)阵列(一维)n 纳米纳米ZnO薄
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