MnCo共摻雜納米ZnO粉體的制備性能研究

1、mn-co共摻雜納米zno粉體的制備及性能研究學號 ：201110830282答辯人 ：尚文君指導老師：安麗娟目錄研究目的及意義納米zno概述實驗及表征結(jié)論近年來，為了改善納米zno材料的使用性能，通常采用向zno獨特的結(jié)構(gòu)中引入其他元素來改善和增強其性能。本課題研究的是co-mn對納米zno粉體的摻雜，一方面研究摻雜金屬元素對納米氧化鋅的結(jié)構(gòu)和形貌的影響，另一方面是可以實現(xiàn)對其有目的的摻雜，改變其光學、磁學、發(fā)光性能、光催化降解、導電性等。使其在光學、磁學、電學等領(lǐng)域得到廣泛的應用研究目的及意義研究目的及意義納米納米zno概述概述 rocksalt zinc blcnde wurtzite

2、rocksalt zinc blcnde wurtzite 像大多數(shù)像大多數(shù)- 族二元族二元化合物半導體一樣，化合物半導體一樣，zno也有三種結(jié)構(gòu)：立也有三種結(jié)構(gòu)：立方巖鹽礦結(jié)構(gòu)、立方閃方巖鹽礦結(jié)構(gòu)、立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)和六角纖鋅礦鋅礦結(jié)構(gòu)和六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。氧化鋅在常溫常氧化鋅在常溫常壓下以六角纖鋅礦的熱壓下以六角纖鋅礦的熱力學穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)存在，力學穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)存在，立方巖鹽礦結(jié)構(gòu)只能生立方巖鹽礦結(jié)構(gòu)只能生長在于其相近的立方結(jié)長在于其相近的立方結(jié)構(gòu)的襯底上，氯化鈉式構(gòu)的襯底上，氯化鈉式的八面體結(jié)構(gòu)只在一定的八面體結(jié)構(gòu)只在一定高壓下被觀察到，在自高壓下被觀察到，在自然界是很少存在的。然界是很少存在的。

3、1.納米納米zno晶格結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)2.納米zno的基本性質(zhì)物理參數(shù)數(shù)值晶格結(jié)構(gòu)六角鉛鋅礦結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)（nm）a=0.324750.3286；c=0.520420.5241熔點（）1975帶隙寬度（ev）（室溫下）3.37密度（g/cm3）5.606原子個數(shù)（1022/cm3）4.15熱導率（w/cm k）c：112；c：0.6靜態(tài)介電常數(shù)8.656300k下熱膨脹系數(shù)（/）c：3.010-6；c：6.510-6本征載流子濃度（/cm3）106折射率n（600nm處）c：2.029；c：2.008激子束縛能（mev）60激子波爾半徑（nm）2.03空穴有效質(zhì)量0.59電子有效質(zhì)量0.24空穴遷移

4、率（300k，cm2/vs）550電子遷移率（300k，cm2/vs）200實驗及表征1.實驗試劑、儀器及方法實驗試劑：氫氧化鈉、氯化鋅、六水合氯化錳、六水合氯化鈷、鹽酸、無水乙醇、乙二胺四乙酸鈉、鄰苯二甲酸氫鉀實驗儀器：ar2140型電子分析天平、hj-5型多功能恒溫攪拌器、jj-1定時電動攪拌棒、dk-98-電熱恒溫水浴鍋、shz-diii循環(huán)水真空泵、wgl-658電熱鼓風干燥箱、rjm-28-10a茂福式加熱用電阻爐、 d8advance型x-射線衍射儀、fei sirion掃描電子顯微鏡、js-1600型離子濺射儀實驗方法：共沉淀法2.實驗流程配置溶液研磨灼燒抽濾、洗滌干燥攪拌配置配

5、置1mol/l zncl2溶液、溶液、0.1mol/l的的cocl2溶液溶液、0.1mol/l的的mncl2溶液溶液和和2mol/l的的naoh溶液，溶液，在在一定溫度一定溫度下，下，將配置好將配置好的的naoh溶液緩慢滴加到溶液緩慢滴加到1mol/l的的 zncl2溶液、溶液、0.1mol/l的的cocl2溶液和溶液和0.1mol/l的的mncl2溶液溶液混合溶液混合溶液中，攪拌一定時間后得到前軀體懸濁液。將懸濁液抽濾、洗滌后放入烘干箱內(nèi)中，攪拌一定時間后得到前軀體懸濁液。將懸濁液抽濾、洗滌后放入烘干箱內(nèi)進行干燥，然后進行干燥，然后倒入坩堝放入真空電阻爐進行灼燒倒入坩堝放入真空電阻爐進行灼燒

6、，最后，最后將其放入瑪瑙研缽中將其放入瑪瑙研缽中進行研磨后得到進行研磨后得到mo、co共共摻雜的納米摻雜的納米zno粉體。粉體。序號序號zn：mn：co攪拌溫度（攪拌溫度（） 攪拌時間（攪拌時間（h）干燥時間干燥時間（h；在；在130下）下）灼燒溫度（灼燒溫度（）灼燒時間（灼燒時間（h）1 11 1：0.100.10：0.100.10常溫常溫2 2- -6006000.50.52 21 1：0.0750.075：0.050.05常溫常溫2 20.50.56006002.02.03 31 1：0.0750.075：0.0750.075常溫常溫2 20.50.56006002.02.04 41 1

7、：0.050.05：0.0750.07525252 20.50.56006002.02.05 51 1：0.100.10：0.100.1025251 12 26006002.02.06 61 1：0.050.05：0.050.0525251 12 26006002.02.07 71 1：0.0750.075：0.0750.07525251 12 26006002.02.08 81 1：0.05(0.05(無無co)co)25251 11 16006001.51.59 91 1：0.040.04：0.010.0125251 11 16006001.51.510101 1：0.030.03：0.0

8、20.0225251 11 16006001.51.511111 1：0.0250.025：0.0250.02525252 21 15005002.02.012121 1：0.020.02：0.030.0325252 21 15005002.02.013131 1：0.010.01：0.040.0425252 21 15005002.02.014141 1：0.05(0.05(無無mn)mn)25252 21 15005002.02.015151 1：0.0150.015：0.0350.03530301 11 16006002.02.016161 1：0.0350.035：0.0150.015

9、30301 11 16006002.02.03.表征本論文采用本論文采用x-x-射線衍射（射線衍射（xrd）和掃描電子顯微鏡（）和掃描電子顯微鏡（fesem）對實驗獲）對實驗獲得樣品進行表征和分析。得樣品進行表征和分析。圖1：zno：mn：co濃度比為1：0.05：0.05 的xrd圖譜圖2：zno：mn濃度比為1：0.05的xrd圖譜圖3：zno：mn：co濃度比為1：0.04：0.01的xrd圖譜圖4：zno：mn：co濃度比為1：0.01：0.04的xrd圖譜圖5：zno：mn：co濃度比為1：0.015：0.035 的xrd圖譜圖圖1.1.所示為所示為mn和和co的摻雜量為的摻雜量為5

10、%的樣品在的樣品在25水浴溫度下攪拌水浴溫度下攪拌1h，130干燥箱內(nèi)干燥干燥箱內(nèi)干燥2h，600溫度下煅燒溫度下煅燒2h后的后的xrd圖譜，在圖譜中僅圖譜，在圖譜中僅出現(xiàn)了六方釬鋅礦結(jié)構(gòu)衍射峰，沒有出現(xiàn)其他衍射峰，說明在這種摻雜量出現(xiàn)了六方釬鋅礦結(jié)構(gòu)衍射峰，沒有出現(xiàn)其他衍射峰，說明在這種摻雜量及反應條件下及反應條件下zno的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化；的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化；圖圖2.和圖和圖3.分別是分別是mn的摻雜量為的摻雜量為5%和和mn的摻雜量為的摻雜量為4%co的摻雜量為的摻雜量為1%的樣品在的樣品在25水浴溫度下攪拌水浴溫度下攪拌1h，130干燥箱內(nèi)干燥干燥箱內(nèi)干燥1h，600溫度溫度下

11、煅燒下煅燒1.5h后的后的xrd圖譜，在圖譜中除了圖譜，在圖譜中除了zno的衍射峰外，在的衍射峰外，在100，002高峰之前出現(xiàn)兩個小峰，分別為高峰之前出現(xiàn)兩個小峰，分別為mno和和coo的衍射峰，說明在這種摻雜的衍射峰，說明在這種摻雜量及反應條件下有一部分雜質(zhì)氧化物存在；量及反應條件下有一部分雜質(zhì)氧化物存在；圖圖4.所示是所示是mn和和co的摻雜量分別為的摻雜量分別為1%和和4%的樣品在的樣品在25水浴溫度下攪水浴溫度下攪拌拌2h，130干燥箱內(nèi)干燥干燥箱內(nèi)干燥1h，500溫度下煅燒溫度下煅燒2h后的后的xrd圖譜，圖圖譜，圖5.5.所示是所示是mn和和co的摻雜量分別為的摻雜量分別為1.5

12、%和和3.5%的樣品在的樣品在30水浴溫度下攪水浴溫度下攪拌拌1h，130干燥箱內(nèi)干燥干燥箱內(nèi)干燥1h，600溫度下煅燒溫度下煅燒2h后的后的xrd圖譜，上述圖譜，上述兩組實驗都沒有其他衍射峰出現(xiàn)并得到了明顯的兩組實驗都沒有其他衍射峰出現(xiàn)并得到了明顯的zno的衍射峰。的衍射峰。圖圖6 不同摻雜濃度不同摻雜濃度zno：mn：co樣品的樣品的 fesem 照片照片a：1：0.05 ：0.075 10000 b：1：0.05 ：0.075 40000 c：1：0.05 ：0.05 10000 d：1：0.05 ：0.05 40000 圖圖7 不同摻雜濃度不同摻雜濃度zno：mn：co樣品的樣品的 f

13、esem 照片照片 e：1：0.01 ：0.04 10000 f：1：0.01 ：0.04 40000g：1：0.015：0.035 10000 h：1：0.015：0.035 40000圖圖6.和圖和圖7.所示是不同濃度的所示是不同濃度的mn-co摻雜納米摻雜納米zno粉體在掃描電子顯粉體在掃描電子顯微鏡中，在微鏡中，在20kv高壓下拍攝的高壓下拍攝的10000倍和倍和40000倍的倍的sem照片。純照片。純 zno 為分散均勻的紡錘體結(jié)構(gòu)，長度約為為分散均勻的紡錘體結(jié)構(gòu)，長度約為 600 nm，直徑，直徑 200 nm。圖圖a、b分別是分別是mn、co摻雜量為摻雜量為5%、7.5%的納米的

14、納米zno樣品在樣品在10000倍和倍和40000倍下的照片，從圖中可以看出當摻雜倍下的照片，從圖中可以看出當摻雜mn、co元素后顆粒元素后顆粒尺寸明顯變小，形貌也發(fā)生變化，分散均勻，觀察樣品可以看到照尺寸明顯變小，形貌也發(fā)生變化，分散均勻，觀察樣品可以看到照片中存在明顯的六方狀顆粒，平均粒徑為片中存在明顯的六方狀顆粒，平均粒徑為200nm。圖圖c、d分別是分別是mn、co摻雜量都為摻雜量都為5%的納米的納米zno樣品在照片，從圖樣品在照片，從圖中可以看到有一半的棒狀顆粒和細小的顆粒存在，棒狀顆粒長度約中可以看到有一半的棒狀顆粒和細小的顆粒存在，棒狀顆粒長度約為為500nm，直接約，直接約20

15、0nm，細小顆粒的直徑平均在，細小顆粒的直徑平均在200nm。圖圖e、f分別是分別是mn、co摻雜量為摻雜量為1%、4%的納米的納米zno樣品，從圖中可樣品，從圖中可以看出當摻雜以看出當摻雜mn、co元素后棒狀較多，同時還出現(xiàn)了部分團聚現(xiàn)元素后棒狀較多，同時還出現(xiàn)了部分團聚現(xiàn)象。圖象。圖g、h分別是分別是mn、co摻雜量為摻雜量為1.5%、3.5%的納米的納米zno樣品，樣品，從圖中可以看出樣品的從圖中可以看出樣品的sem 形貌照片明顯出現(xiàn)顆粒團聚的現(xiàn)象。形貌照片明顯出現(xiàn)顆粒團聚的現(xiàn)象。 結(jié)論本論文以本論文以 zncl2 2、mnclmncl2 2、coclcocl2 2和和naohnaoh為

16、原料，采用共沉淀法成功制為原料，采用共沉淀法成功制備了備了mnmn、co離子共摻雜的納米離子共摻雜的納米zno 粉體，確定了煅燒溫度、煅燒時間、粉體，確定了煅燒溫度、煅燒時間、溶液堿度、原料比例、攪拌時間和預攪拌溫度等最佳實驗參數(shù)。分析溶液堿度、原料比例、攪拌時間和預攪拌溫度等最佳實驗參數(shù)。分析和討論不同和討論不同mnmn2+2+、 coco2+2+以不同摻雜濃度制備的以不同摻雜濃度制備的zno 納米粉體的結(jié)構(gòu)、形納米粉體的結(jié)構(gòu)、形貌等特征。其主要結(jié)論如下：貌等特征。其主要結(jié)論如下：（1）以）以zncl2 2、mnclmncl2 2、coclcocl2 2和和naohnaoh為原料，采用共沉淀法制備為原料，采用共沉淀法制備zno 納米粉體的最佳反應條件：煅燒溫度納米粉體的最佳反應條件：煅燒溫度600、煅燒時間、煅燒時間2h、總摻雜量為、總摻雜量為12.5%12.5%、攪拌時間、攪拌時間2h2h、預攪拌溫度為、預攪拌溫度為2525。（2 2）通過研究不同）通過研究不同 mnmn2+2+、coco2+2+摻雜濃度摻雜濃度 zno：納米粉體的結(jié)構(gòu)、形：納米粉體的結(jié)構(gòu)、形貌特征，貌特征，mnmn、co co 元素以元素以mnmn2+2+、 coco2+2+的形式替代了