氧化锌-石墨烯纳米复合物的制备及其光学性能研究

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氧化锌是一种优良的半导体氧化物,在光电子学、生物学以及化学等领域都表现出了独特的物理和化学性能,例如显著的量子限域效应、优良的压电性和光催化活性等,多年来一直是纳米材料领域的研究热点。自2004年石墨烯首次被报道以来,持续受到科学界的广泛关注,因其具有很高的理论比表面积和透明度,以及良好的导电、导热、力学性能,可应用于太阳能薄膜电池、液晶显示屏等,在环境及能源领域更是有着巨大的应用前景。近年来,关于氧化锌与石墨烯及其衍生物复合的报道层出不穷。本文针对氧化锌与石墨烯复合结构的研究热点,采用水热法和溶剂热法制备了氧化锌-石墨烯纳米复合物,并对氧化锌-石墨烯复合物的形貌及光学性能进行了研究,并分析了其生长机理。还采用机械搭建法构建了氧化锌-石墨烯微米棒复合结构,研究了石墨烯对氧化锌微米棒光学性能的影响。具体研究内容如下:  (1)以醋酸锌、氢氧化钠和氧化石墨为原料,分别采用水热法和溶剂热法制备了氧化锌-石墨烯复合物,并利用SEM、TEM、EDS和XRD等测试手段对复合物形貌结构进行了表征,发现在水中,氧化锌生长成了与石墨烯类似的片层状,并与石墨烯交织在一起;在乙二醇中,氧化锌聚集成了尺寸比较均一的颗粒状,分布在少层石墨烯上。此外,还对用两种方法制备氧化锌-石墨烯复合物时氧化锌形貌变化的原因做了分析。  (2)以醋酸锌和氢氧化钠为原料,乙二醇为溶剂,采用溶剂热法制备了纳米氧化锌,并与同样条件下制备的氧化锌-石墨烯纳米复合物进行了对比。结果表明:当没有石墨烯时,氧化锌粒子能够自由移动,择优生长成六棱柱;当石墨烯存在时,石墨烯阻碍了氧化锌纳米粒子的自由移动,使氧化锌不能择优生长成六棱柱,而是聚集成了表面不规则的纳米颗粒。与纯氧化锌相比,氧化锌-石墨烯纳米复合物在紫外区的发光明显增强,并有蓝移现象。  (3)研究了氧化石墨和氢氧化钠的加入量对氧化锌-石墨烯纳米复合物形貌及光学性能的影响,结果如下:加入氧化石墨的多少对形貌影响不大,但改变了光致发光的强度;氢氧化钠有助于减小ZnO颗粒的尺寸,但当浓度过高后,ZnO颗粒会出现严重的团聚现象;氢氧化钠浓度对发光峰强度和发光峰峰位都有影响。另外,还分析了溶剂热法制备氧化锌-石墨烯纳米复合物的反应机理。  (4)将采用化学气相传输法制备的氧化锌微米棒搭建在CVD法制备的石墨烯衬底上,对比了在有无石墨烯的两种情况下ZnO微米棒的光学性能,发现虽然是简单的物理搭建,但是石墨烯对ZnO也产生了很大的影响,具体表现为:提高了ZnO紫外发光峰的强度和回音壁模激射的品质因子,并且对ZnO具有光场限制作用,我们分析其原因是石墨烯的表面等离子体效应的作用。
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