納米氧化鋅實(shí)驗(yàn)報(bào)告(共9頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗(yàn)3 氧化鋅納米陣列的制備【摘 要】水熱法是合成氧化鋅納米陣列的基本方法之一，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究氧化鋅納米線的制備工藝，學(xué)會(huì)氧化鋅納米線透射率的測(cè)量方法，并掌握半導(dǎo)體材料禁帶寬度的基本計(jì)算方法?！娟P(guān)鍵字】 水熱法 納米線 禁帶寬度0.引言氧化鋅（ZnO）是一種具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的族化合物半導(dǎo)體，由于其具有優(yōu)異的光電性質(zhì)而有很大的使用價(jià)值和研究?jī)r(jià)值，如它對(duì)可見(jiàn)光的高透過(guò)率,能用作透明導(dǎo)電涂層;具有光電效應(yīng),能用于紫外激光器件和太陽(yáng)能電池等 1。為了獲得或改善其某一方面的性質(zhì)，利用各種方法摻雜或制備具有特定形貌的氧化鋅納米材料成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。而水熱法制備ZnO納米材

2、料，以其設(shè)備簡(jiǎn)單、原料廉價(jià)、條件易控、適合大面積生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采納。本實(shí)驗(yàn)主要是采用水熱法合成氧化鋅納米線，并測(cè)量納米線的透射率，通過(guò)計(jì)算得出制備的氧化鋅禁帶寬度為3.34eV，與理論值基本吻合。1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解水熱合成氧化鋅納米線的原理以及基本操作方法；2.獨(dú)立制備出氧化鋅納米線；3.掌握納米線透射率的表征方法和半導(dǎo)體禁帶寬度的計(jì)算方法；4. 掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，并能利用Origin繪圖軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。2.實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和材料清單1.水浴鍋、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、量筒、樣品瓶、PH試紙、2.試劑：硝酸鋅、乙醇胺、正丁醇、高錳酸鉀、氨水、酒精、稀硝酸3.實(shí)驗(yàn)原理3.1納米

3、氧化鋅概述2氧化鋅（ZnO）：直接寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為 3.37 eV ，激子束縛能為60meV。納米氧化鋅具有非遷移性、壓電性、熒光性、吸收和散射紫外線能力等特殊能力， ZnO一維材料的陣列能夠加快光生電子、空穴的分離,使電子具有良好的運(yùn)輸性,所以納米棒、納米線陣列的制備備受關(guān)注。氧化鋅(ZnO)在自然界有兩種晶體結(jié)構(gòu)，即纖鋅礦結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)。其中穩(wěn)定相是纖鋅礦結(jié)構(gòu)（如左圖），屬六方晶系，為極性晶體。制備ZnO一維材料陣列的方法主要有氣相沉積法、濺射法或外延法等,這些技術(shù)需要昂貴的儀器、苛刻的實(shí)驗(yàn)條件,而溶液法則具有設(shè)備簡(jiǎn)單、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。3.2水熱法概述水熱法又稱為熱液法

4、,是指在特制的密閉反應(yīng)器(高壓釜)中,采用水溶液作為反應(yīng)體系,通過(guò)對(duì)反應(yīng)體系加熱,產(chǎn)生一個(gè)高溫高壓的環(huán)境,加速離子反應(yīng)和促進(jìn)水解反應(yīng),在水溶液或蒸氣流體中制備氧化物,再經(jīng)過(guò)分離和熱處理得到氧化物納米粒子,可使一些在常溫常壓下反應(yīng)速率很慢的熱力學(xué)反應(yīng)在水熱條件下實(shí)現(xiàn)反應(yīng)快速化。3.3反應(yīng)機(jī)制在硝酸鋅和乙醇胺的溶液中,硝酸鋅電離提供Zn2+,電離方程如下: Zn2+易和H+離子反應(yīng)，生產(chǎn)沉淀析出：為了防止氧氧化鋅沉淀的析出，可以通過(guò)減少溶液中游離Zn2+的濃度，即將作為絡(luò)合劑的氨水加入到硝酸鋅溶液中,它與硝酸鋅反應(yīng)的方程如下: 在滴入氨水的過(guò)程中,將可以看到白色Zn(0H)2沉淀的生成,隨著氨水加

5、入量的增大,白色Zn(OH)2沉淀逐漸溶解：當(dāng)加入了足夠的氨水之后,沉淀完全溶解,形成均勻透明的溶液，總的反應(yīng)方程為:在含有大量氨鋅絡(luò)合物的溶液中,在一定的反應(yīng)條件下,氨鋅絡(luò)合物能通過(guò)反應(yīng)生成氧化鋅:在溶液中，反應(yīng)部分是發(fā)生在襯底表面的,他們能與襯底之間形成比較強(qiáng)的結(jié)合力,從而形成在襯底表面的生長(zhǎng),但大部分反應(yīng)是在溶液中進(jìn)行,形成了沉淀。3.4成核與生長(zhǎng)機(jī)制均質(zhì)成核均質(zhì)成核的前提條件是溶液中有晶種的形成。初期晶種的形成可以通過(guò)離散離子或原子之間的結(jié)合來(lái)的得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)溶液中的晶種濃度不高時(shí),晶種可以通過(guò)吸附溶液中的游離粒子(大多是離子),逐漸的生長(zhǎng);如果溶液中的晶種濃度比較高,也可以通過(guò)晶種之間

6、的結(jié)合逐漸生長(zhǎng)。異質(zhì)成核在氧化鋅的制備中,另外一種成核過(guò)程是異質(zhì)成核。異質(zhì)成核過(guò)程主要是在襯底表面進(jìn)行的，包含兩步,第一步是襯底表面超臨界晶核的形成:首先,游離在溶液中的粒子(通常是離子)被吸附到襯底的表面,逐漸形成具有一定半徑的晶種。然后,襯底之上的晶種通過(guò)互相吸引,或者吸引溶液中的游離離子并與之結(jié)合,半徑不斷增大,形成晶核,通常這個(gè)晶核的半徑比臨界半徑要小一些,稱之為超臨界晶核;第二步是超臨界晶核的生長(zhǎng):超臨界晶核并未達(dá)到臨界晶核的半徑,是一種不穩(wěn)定的狀態(tài),它通過(guò)吸收溶液中的游離粒子或亞臨界晶核不斷長(zhǎng)大,達(dá)到臨界半徑之后完成異質(zhì)成核過(guò)程。3.5水熱法制備納米氧化鋅的影響因素3溶液中氧化鋅的

7、形成可以分為兩個(gè)過(guò)程,即晶核的形成及晶體的生長(zhǎng)。這兩個(gè)過(guò)程與溶液中存在的離子種類及濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間以及添加劑等因素有著非常密切的關(guān)系。1）濃度 反應(yīng)物的濃度決定了水解反應(yīng)的平衡過(guò)程和成核過(guò)程,對(duì)于制得的產(chǎn)物的尺寸和形貌有著重要影響,通過(guò)調(diào)節(jié)濃度即可得到不同尺寸和形貌的產(chǎn)品。有研究認(rèn)為納米棒直徑與反應(yīng)物的濃度之間不是線性關(guān)系。在相對(duì)較高的濃度區(qū)間內(nèi),濃度降低兩倍,直徑降低將近3倍;而在相對(duì)較低的濃度區(qū)間內(nèi),濃度降低一個(gè)數(shù)量級(jí),直徑卻降低很少。2）溫度 水熱反應(yīng)溫度作為一個(gè)重要的調(diào)控參數(shù),影響反應(yīng)的進(jìn)度和結(jié)晶速度,直接影響納米材料的生長(zhǎng)過(guò)程,進(jìn)而對(duì)產(chǎn)物的形貌和性能都會(huì)產(chǎn)生影響。3）反應(yīng)時(shí)間

8、 反應(yīng)時(shí)間影響產(chǎn)品的形貌和產(chǎn)率。具體反應(yīng)時(shí)間的控制應(yīng)視不同的反應(yīng)體系而定。動(dòng)力學(xué)研究表明:當(dāng)生長(zhǎng)時(shí)間在8h內(nèi)時(shí),納米棒的生長(zhǎng)速度較快,之后生長(zhǎng)近乎停止,棒的長(zhǎng)度和直徑基本不再改變。在生長(zhǎng)速度較快的8h內(nèi)時(shí),納米棒徑向生長(zhǎng)由兩個(gè)明顯的動(dòng)力學(xué)過(guò)程組成,即由生長(zhǎng)時(shí)間在1.5h內(nèi)的快生長(zhǎng)步驟和隨后的慢生長(zhǎng)步驟組成。納米棒的軸向生長(zhǎng)趨勢(shì)呈直線分布。研究發(fā)現(xiàn),多枝ZnO納米結(jié)構(gòu)由單根納米棒演化而來(lái),生長(zhǎng)時(shí)間的越長(zhǎng),分枝的趨勢(shì)越明顯。4）pH值 水熱條件下的溶解度與溶液的堿性和反應(yīng)溫度有很大的關(guān)系。水熱處理前用氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值對(duì)ZnO陣列形貌的影響很大,氨水在整個(gè)過(guò)程中不僅提供堿性環(huán)境,同時(shí)也作配位劑。

9、pH值的大小影響前驅(qū)物的溶解度,且改變生長(zhǎng)基元的生長(zhǎng)方向和過(guò)程,控制pH值有利于晶體的取向生長(zhǎng),得到目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、形貌和性質(zhì)會(huì)有很大不同。5）Zn 2+ /OH- 物質(zhì)的量比 Zn 2+ /OH- 的物質(zhì)的量比影響產(chǎn)物的形貌,不同比例得到的產(chǎn)物形貌有很大不同。6）添加劑 為了有效控制其形貌與尺寸,研究者采用了各種方法來(lái)改進(jìn)ZnO納米結(jié)構(gòu)的水熱合成工藝,比如添加表面活性劑、配合劑或其他輔助劑等是常用的一種手段。添加劑可起到模板劑、穩(wěn)定劑、分散劑的作用。添加劑的種類繁多,選擇不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的添加劑,可以得到尺寸大小、粒子形態(tài)可控的納米微粒,可以使產(chǎn)物的形貌更加多樣化,但對(duì)于其中的機(jī)理還有待于深入

10、的研究。7）摻雜 在水熱過(guò)程中,適當(dāng)?shù)膿诫s特定的物質(zhì),可以有效的調(diào)節(jié)ZnO納米材料的電子能態(tài)結(jié)構(gòu),改變表面效應(yīng),會(huì)導(dǎo)致顆粒晶型、大小、晶相轉(zhuǎn)變溫度的改變,進(jìn)而會(huì)改變晶體的結(jié)構(gòu)、顏色、形貌和性能。8）基片是承載氧化鋅納米棒的主要載體，基體的材質(zhì)、光滑程度、薄膜的性質(zhì)對(duì)氧化鋅納米棒的形貌也有重要的影響。3.6紫外分光光度計(jì)的原理 它是利用物質(zhì)的分子或離子對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的光的吸收作用，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性分析、定量分析及結(jié)構(gòu)分析, 所依據(jù)的光譜是分子或離子吸收入射光中特定波長(zhǎng)的光而產(chǎn)生的吸收光譜。通過(guò)測(cè)定被測(cè)物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收強(qiáng)度（吸光度/透射率），以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度（透射率）為縱坐標(biāo)作圖，得出

11、該物質(zhì)在測(cè)定波長(zhǎng)范圍的吸收曲線（透射曲線）。吸光度A與透射率T的關(guān)系為：光吸收規(guī)律：為吸收系數(shù)，為光的傳播距離，根據(jù)朗伯比爾定律，A正比于。禁帶寬度：被束縛的電子要成為自由運(yùn)動(dòng)的電子所需要的能量的最小值。禁帶寬度的計(jì)算：法1：繪制透射率與波長(zhǎng)的曲線，找出沒(méi)有光吸收的最大波長(zhǎng)，。法2：繪制hv-(ahv)2的曲線，利用截距法求出與x軸交點(diǎn)，即為禁帶寬度。4.實(shí)驗(yàn)過(guò)程在教師指導(dǎo)下，查閱有關(guān)文獻(xiàn)，了解水熱法制備氧化鋅納米陣列的基本原理和實(shí)驗(yàn)步驟。1. 高錳酸鉀活化配2mL 5mmol的KMnO4溶液，倒入20ml的樣品瓶中，再加入100uL的正丁醇，最后加入18mL的去離子水，搖晃均勻混合。將干凈玻

12、璃襯底斜放入樣品中，在80°C水浴中活化20min，隨后用自來(lái)水沖洗三次，用去離子水清洗一次，即完成活化過(guò)程。2. 生長(zhǎng)納米線配20ml 0.1M的硝酸鋅溶液，倒入干凈的樣品瓶中，加入2ml乙醇胺作為穩(wěn)定劑，剛加入時(shí)有沉淀，搖晃后消失，并通過(guò)氨水調(diào)節(jié)pH至10左右（大約四滴）。將活化好的玻璃襯底傾斜浸沒(méi)到溶液中，朝下為生長(zhǎng)面，在80°C的水浴中生長(zhǎng)ZnO,生長(zhǎng)時(shí)間為40min。3.清洗玻璃襯底將長(zhǎng)好納米線的玻璃襯底從樣品瓶中取出，用去離子水沖洗，烘干。再用稀硝酸洗去玻璃的上一面，即非生長(zhǎng)面，再烘干，重復(fù)多次，直到洗凈非生長(zhǎng)面為止。4. 透射率的測(cè)量1）打開(kāi)分光光度計(jì)運(yùn)行軟件

13、，將光譜掃描范圍設(shè)為200-900nm，掃描步長(zhǎng)為1nm，掃描方式為透射率。2）將兩片沒(méi)有生長(zhǎng)納米氧化鋅的干凈玻璃襯底分別放置于參比池和樣品池，先做基線掃描，然后將樣品池的基片換成生長(zhǎng)了納米氧化鋅的玻璃襯底，進(jìn)行光譜掃描，從而得到透射光譜。5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理6.實(shí)驗(yàn)分析與討論1. 氧化鋅納米陣列有什么特點(diǎn)？它與氧化鋅薄膜的主要區(qū)別是什么？氧化鋅納米有如下特點(diǎn)：氧化鋅納米陣列的粒子為納米級(jí)，其比表面積大、化學(xué)活性高；具有較高的光學(xué)折射率，而且在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)有很高的的透射率；ZnO 屬于寬禁帶的半導(dǎo)體材料，可用于短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光；很高的激子結(jié)合能，可以實(shí)現(xiàn)室溫或更高溫度下的激子受激紫外輻射

14、發(fā)光。，同時(shí)也是性能很好的壓電和熱電半導(dǎo)體材料之一，可用于壓敏器件等領(lǐng)域。另外 ZnO 具有良好的高頻特性，在諧振器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于 ZnO 沿 c 軸方向的極性以及極性面、表面極化的存在，使其具有鐵電特性，成為研究極性誘生鐵電性能的理想材料之一，同時(shí) ZnO 也是一種優(yōu)良的稀磁半導(dǎo)體材料 。氧化鋅納米陣列與氧化鋅薄膜的主要區(qū)別如下：主要區(qū)別是所屬維度不同，納米陣列屬于一維結(jié)構(gòu)，薄膜屬于二維結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，ZnO納米陣列相對(duì)于ZnO薄膜具有更大的比表面積和大的長(zhǎng)徑比效應(yīng).2. 影響氧化鋅納米陣列形貌的因素有哪些？1）濃度 反應(yīng)物的濃度決定了水解反應(yīng)的平衡過(guò)程和成核過(guò)程,對(duì)于制得的產(chǎn)物

15、的尺寸和形貌有著重要影響,通過(guò)調(diào)節(jié)濃度即可得到不同尺寸和形貌的產(chǎn)品。、2）溫度 水熱反應(yīng)溫度作為一個(gè)重要的調(diào)控參數(shù),影響反應(yīng)的進(jìn)度和結(jié)晶速度,直接影響納米材料的生長(zhǎng)過(guò)程,進(jìn)而對(duì)產(chǎn)物的形貌和性能都會(huì)產(chǎn)生影響。3）反應(yīng)時(shí)間 反應(yīng)時(shí)間影響產(chǎn)品的形貌和產(chǎn)率，具體反應(yīng)時(shí)間的控制應(yīng)視不同的反應(yīng)體系而定。4）pH值 水熱條件下的溶解度與溶液的堿性和反應(yīng)溫度有很大的關(guān)系。5）Zn 2+ /OH- 物質(zhì)的量比 Zn 2+ /OH- 的物質(zhì)的量比影響產(chǎn)物的形貌,不同比例得到的產(chǎn)物形貌有很大不同。6）添加劑 選擇不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的添加劑,可以得到尺寸大小、粒子形態(tài)可控的納米微粒,可以使產(chǎn)物的形貌更加多樣化,但對(duì)于其中

16、的機(jī)理還有待于深入的研究。7）摻雜 在水熱過(guò)程中,適當(dāng)?shù)膿诫s特定的物質(zhì),可以有效的調(diào)節(jié)ZnO納米材料的電子能態(tài)結(jié)構(gòu),改變表面效應(yīng),會(huì)導(dǎo)致顆粒晶型、大小、晶相轉(zhuǎn)變溫度的改變,進(jìn)而會(huì)改變晶體的結(jié)構(gòu)、顏色、形貌和性能。8）基片 基片是承載氧化鋅納米棒的主要載體，基體的材質(zhì)、光滑程度、薄膜的性質(zhì)對(duì)氧化鋅納米棒的形貌也有重要的影響。3. 如何將氧化鋅納米陣列應(yīng)用于太陽(yáng)能電池中？請(qǐng)進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，并闡述其原理和優(yōu)點(diǎn)。氧化鋅是一種寬帶隙的半導(dǎo)體材料，電子遷移率比TiO2更大，電子壽命更長(zhǎng)，這是提高太陽(yáng)能電池性能很重要的特性。用垂直取向的氧化鋅納米棒陣列構(gòu)筑太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極，由于比表面積增大，所以可以很大程度上

17、提高電池中電子的傳輸速度，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。先用液相化學(xué)方法，在種子基底上快速生長(zhǎng)超長(zhǎng)ZnO 納米線陣列，抑制在本體溶液中生長(zhǎng) ZnO 的均相成核作用，使 ZnO 只在種子基底上生長(zhǎng)，長(zhǎng)成一層氧化鋅納米棒陣列。然后，在其表面包覆一層單層膜，進(jìn)行第二層的生長(zhǎng)，以此類推，得到多層陣列結(jié)構(gòu)之后再空氣氣氛下煅燒處理出去表面的單層膜。主要優(yōu)點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率高，是目前 ZnO 基 DSSC光陽(yáng)極材料中報(bào)道的最高光電轉(zhuǎn)換效率4。7.實(shí)驗(yàn)總結(jié)本實(shí)驗(yàn)是有關(guān)于水熱法制備氧化鋅納米陣列的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我基本掌握了水熱合成氧化鋅納米陣列的原理和方法，對(duì)于半導(dǎo)體的禁帶寬度計(jì)算有了基本的了解，生長(zhǎng)出的氧化鋅納米線的禁帶寬度與文獻(xiàn)誤差相差很小。同時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行過(guò)程中，比如納米線生長(zhǎng)好后玻璃板非生長(zhǎng)面的清洗等，培養(yǎng)了我嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，提供了極好的學(xué)習(xí)與實(shí)踐機(jī)會(huì)。8.參考文獻(xiàn)【1】韋新穎,祁康成等.2010.ZAO基底水熱法制備ZnO納米陣列及其形貌特征. 半