管状ZnO纳米结构的水热法合成及场发射特性研究

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在本文中,我们采用ZnCl2溶液和浓氨水(25%)为反应物,利用一种简单的水热法,制备了不同形貌的氧化锌(ZnO)纳米/微米结构。同时对部分ZnO纳米结构的光学和场发射性能进行了研究。主要内容及创新点如下:1.通过适当改变实验条件,如溶液浓度、溶液pH值、反应时间、衬底、反应温度等,我们得到了ZnO纳米棒、纳米锥、纳米盘,纳米花以及首次成功合成了六棱柱形和锥形两种不同形貌的纳米管等。同时,我们对实验条件与形貌之间的关系做了定性分析。2.对两种不同形貌的管状ZnO的形成机理进行了详细的研究。(1)我们使同时配制的反应溶液经历相同的加热时间(3个小时),但使其冷却后在室温下保持的时间不同。经历不同温度过程的样品的SEM图像清晰地展示了管状ZnO在水溶液中的演化过程。(2)证实了管状ZnO是从ZnO棒和锥演变而来。ZnO棒处于亚稳态的(0001)富锌面具有优先化学溶解的性质导致了管状结构的出现。(3)提出了一个“两个阶段”的生长模型。在整个生长过程中ZnO的水热沉积和溶解同时存在。第一个阶段对应于在较高的温度下前驱物Zn(NH342+沉积形成ZnO。第二个阶段是一个浸蚀的过程,它发生在前驱物Zn(NH342+在较高的温度时耗尽或水热沉积在较低的温度停止后。(4)证实了ZnO纳米管的形貌与第一阶段的时间有关,而纳米管的管深则由侵蚀阶段的时间决定。3.场发射测试表明锥形ZnO纳米管具有非常出色的场发射性能,它的开启电场和域值电场分别为2.1Vμm-1和3.8Vμm-1,这说明这种ZnO结构将来很有希望应用于场发射微电子器件中。同时也测试了两种不同相貌的ZnO纳米管的光学性质。4.在“两个阶段”生长机理的指导下,通过多次做实验,实现了ZnO纳米管“两步生长”的合成方法。为从一些用其他方法合成的具有特定形貌的产品(如纳米棒,纳米梳,四角针等)中获得管状结构提供了一种简便易行的新方法。
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