水热法制备氧化锌及其导电性能研究

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氧化锌导电粉在涂料、塑料、纤维等抗静电复合材料领域具有广泛的应用潜力,近年来成为人们关注的焦点。掺杂氧化锌粉体具有良好的半导体特性,可赋予材料高效的抗静电性能,而且还具有颜色浅、分散性能良好、成本低廉等方面的综合优势。本论文采用水热法制备ZnO纳米材料,并对其进行了Al、Ga、Sn掺杂ZnO研究;并且利用第一性原理对Ga掺杂ZnO进行能带计算,研究其导电机理。掺杂氧化锌的合成以硝酸盐和氢氧化钠为主要原料,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X光电子能谱(XPS)等测试手段对导电粉体进行表征,探讨导电性能与结构、形貌的关系。研究了掺杂量、水热反应温度、反应时间及超声分散技术等工艺参数对掺杂粉体的导电性能及其他性能的影响。最佳工艺为:Al掺杂量为1.5%,150℃水热反应3小时;电阻率为2.2×10~6Ω·cm,平均粒径为42.52nm;Sn掺杂量为2.0%,150℃水热反应3小时;电阻率为5.24×10~5Ω·cm,平均粒径为23.28nm;Ga掺杂量为1.8%,150℃水热反应3小时;电阻率为2.18×10~6Ω·cm,平均粒径为22.42nm。利用Castep软件计算了理想ZnO的晶体常数,能带结构和态密度,晶体常数与实验值基本吻合;能带及态密度的计算结果表明理想ZnO是一种半导体材料,带隙为1.49eV。计算Ga掺杂ZnO在两种不同情况下的能带机构及态密度,结果显示掺杂后ZnO的电子结构发生改变,费米能级进入导带,成为n型半导体,从而提高了ZnO的导电性能。
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