氧化锆纳米晶和氧化锌叶片状纳米结构的制备及其结构和光谱研究

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氧化物纳米晶、纳米线受到国际上的广泛重视,在微电子和光电子等领域有广阔的发展前景。本论文通过制备ZrO2纳米晶和以ZnO纳米线制备方法为基础制备ZnO叶片状纳米结构,对纳米晶和纳米线的制备方法、微结构及其形成机制、相变特性、声子特性及光致发光等性质进行了研究,取得了如下有意义的结果: 1.用沉淀—乳化法加以不同温度下的热处理制备了粒度从8nm到30nm的氧化锆纳米晶。用sol-gel法制备了ZnO前驱物。在常用制备纳米线的熔盐法基础上增加表面修饰限制剂NP—9和助熔剂NaCl的剂量以降低熔盐中ZnO浓度,同时将热处理过程进行改进,在1小时的加热后将样品取出置于空气中冷却1分钟再放回炉中继续加热处理4小时。最终首次成功地合成了一种新的具有叶片形状的准二维ZnO纳米结构。 2.采用透射电镜(TEM)选区衍射(SAED)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)和拉曼光谱(RS)对制备的氧化锆纳米晶性质进行了研究。SAED表明样品在500℃下已晶化。对不同热处理温度下样品的XRD谱研究表明样品在600℃至900℃之间随着粒径增加、比表面积减小发生由四方到单斜的相变。由热力学公式AG=—ΔGv+ΔAGse+6(σm—σ1)/d得知当晶粒尺寸小于一临界值d时四方相可以满足体系自由能最小的热力学条件,对四方相在室温下稳定存的缘由给予唯象的解释。红外谱测量到在700℃附近有262cm-1,420cm-1和578cm-1的新峰出现,472cm-1峰消失,拉曼谱154cm-1B1g模和266cm-1处A1g模的消失,都是四方到单斜的相变的结果。 3.对合成的叶片状的氧化锌纳米结构进行形貌分析,TEM照片显示其长度300-500nm,宽度为50-80nm,两头尖端约呈25°夹角,形状基本沿中轴呈中心对称。通过TEM照片的分析,推测其生长过程为首先由一端生长出两根夹角为25°的弯曲ZnO纳米棒,在另一端连接闭合形成框架结构,然后在框架内沿中轴方向并排生长大量ZnO纳米线填满框架内的空隙,形成完整的叶片状的氧化锌纳米结构。其生长过程体现了Ostwald成熟生长机制的作用。Raman谱显示构成该结构的是由晶化的六角相的氧化锌。将位于435cm-1的E2峰与不同尺寸ZnO纳米晶中与之对应的峰比较,发现该峰表现的方诺(Fano)不对称程度与10nm ZnO纳米晶相近,根据导致Fano不对称性的声子限制效应判断ZnO叶片状纳米结构在厚度在纳米量级。 ZnO叶片状纳米结构和纳米晶的Fano不对称切削边分别出现在低能边和高能边,说明两种材料分别具有正号和负号相反的Fano耦合系数。光致发光谱在580nm处存在发光峰,是归于ZnO纳米结构中的存在氧缺陷引起的。
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