金属还原剂热蒸发法合成ZnO微/纳米材料

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ZnO是一种直接带隙和高激子束缚能半导体材料,因此ZnO微/纳米材料在微电子学、磁学、场发射等方面具有很好的应用。热蒸发法被认为是制备具有各种形貌和特殊性质ZnO微/纳米材料的重要方法之一。石墨是该方法中最常使用的还原剂,与ZnO粉末混合作为蒸发源制备ZnO微/纳米材料。通常情况下该方法蒸发源的加热温度高于900oC。另外在实际应用中,可能需要非碳环境或低温条件,因此非碳、低温条件下的合成实验对开展ZnO相关材料的研究与应用具有重要的研究价值。本论文通过热蒸发法,使用多种金属粉包括:钛(Ti)、锰(Mn)、铁(Fe)、铝(Al)、镁(Mg),替代传统的石墨作为还原剂,与ZnO粉混合,制备出ZnO微/纳米材料。实验表明,使用以上金属还原剂,相应的加热温度比石墨作为还原剂时降低了100-500℃,我们将这种现象归因于金属元素相对于石墨具有更强的还原性。加热温度的降低导致生长温度随之降低。实验发现,各金属还原剂对应不同的加热温度,分析表明加热温度强烈依赖于相应的电离势大小。反应过程中随着生长温度的降低,ZnO饱和蒸气压逐渐减小,导致ZnO微/纳米材料逐渐从微米膜结构变化到纳米棒状结构,并且低生长温度区域氧气的含量较高,导致ZnO微/纳米材料的长度增加。工作气压的改变对ZnO微/纳米棒的形貌具有很大影响,低气压(<1atm)下进行实验ZnO微/纳米材料长径比减小,由于低压下从源材料里蒸发出来的Zn蒸气受到限制。除了将金属还原剂与ZnO粉末混合放置,我们还研究将还原剂和ZnO分开放置的实验,推断出ZnO和金属粉末的氧化还原反应是一个气态?气态的反应过程。使用金属还原剂和ZnO作为反应源,可以在硅基底及空气中高温环境下不稳定的金刚石膜上生长ZnO微/纳米材料。研究了纳米金刚石膜上生长ZnO微/纳米材料的场发射性能,ZnO纳米棒开启电压约为4Vμm-1,大大低于纳米金刚石薄膜的开启电压(约17Vμm-1),表明生长ZnO纳米棒的金刚石膜的场发射性能比多晶纳米金刚石薄膜的场发射性能有很大改善。
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