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半导体纳米材料具有奇特的光学、电学、磁学、力学以及催化等性质,为纳米器件的开发研制奠定了物质基础,因而引起了广泛的关注。众所周知,纳米材料的性能显著地依赖于其形状和尺寸,因此获得尺寸形貌可控、性能优越的纳米材料是当前广大科学工作者努力的方向。本论文旨在探索低维半导体纳米晶的液相合成路线,利用各种控制方法和新的合成路线制备了Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶和超薄膜,并研究了它们的生长机理、结构和性质。主要内容如下:
在不含模板剂和催化剂的条件下,仅仅通过调节反应物醋酸锌和氢氧化钠的摩尔比,利用水热和常压液相化学方法调控产物形貌,成功地制备了大量形貌均一的花状、棒状氧化锌。整个反应过程简单,易于实现,且不使用聚合物或表面活性剂等有机物,绿色环保。同时,我们考察了反应温度对产物形貌的影响,结果表明,虽然在常压条件下也可得到棒状和花状结构的氧化锌,但是产物的均一性和结晶性相对于水热合成方法较差。结合实验表征的结果,初步探讨了其生成花状及棒状结构氧化锌的反应机理。
利用六次甲基四胺((CH2)6N4)分子在加热条件下可释放出甲醛和氨的特性,通过简单的一锅法反应,制备了Ag/ZnO纳米复合物。反应中,氨既作为沉淀剂用来形成氧化锌,同时又作为配位剂形成[Ag(NH3)2]+配离子;甲醛作为还原剂使[Ag(NH3)2]+离子发生银镜反应生成金属银颗粒。利用此种思路在水热或常压条件下均制备出了金属银沉积的Ag/ZnO纳米复合物。与纯ZnO相比,Ag/ZnO纳米复合物不但出现了紫外区的发光,同时其缺陷发光也由于银的沉积而减弱。另外,对Ag/ZnO纳米复合物的光催化性能进行考察后发现,在水热条件下制备的Ag/ZnO光催化降解罗丹明B的最佳银负载量为6.2﹪,若继续增加银负载量则会引起银纳米颗粒的团聚,最终导致Ag/ZnO复合物的催化性能的降低。当Ag/ZnO银负载量为1.3﹪时,其光催化降解罗丹明B的能力已强于商品化二氧化钛P25的光催化能力。另外还探讨了Ag/ZnO纳米复合物的生成机理以及银离子对其形貌的影响。
利用溶剂热与界面反应相结合的方法,成功地制备了短棒状或针状氧化锌以及球形硫化镉纳米颗粒。对产物的分析结果表明,对于氧化锌纳米颗粒,反应物硬脂酸锌的浓度会影响其尺寸和形状,进而影响其荧光等光学性质;对于硫化镉纳米颗粒来说,我们在不含表面活性剂及含有十二胺时都制得了硫化镉纳米颗粒,但是通过引入十二胺成功地把水溶性CdS转移到油相。另外结合实验结果,探讨了在溶剂热条件下利用两相合成方法所制备的ZnO和CdS纳米颗粒的形成及稳定机理。
在纳米粒子的制备过程中,为了避免粒子的团聚,通常会加入如聚乙烯吡咯烷酮等聚合物或表面活性剂作为保护剂。但是,在某些情况下,这些保护剂会影响纳米粒子的性质。我们在反应体系不含表面活性剂或高分子的情况下,利用醋酸的双溶性,在常温常压下通过简单的两相合成方法分别制备了水溶性和油溶性的CdS和HgS纳米粒子,考察了它们的光学性质,并对水溶性和油溶性的纳米颗粒的稳定性机理作了探讨。同时,通过离心法对水溶性硫化汞纳米颗粒进行分级,得到了粒径更小,尺寸更均一的硫化汞纳米颗粒。
提出了一种制备Ⅱ-Ⅵ族金属硫化物及氧化物半导体超薄膜的方法:先利用层层自组装方法制备金属离子-双硫醇前驱体薄膜,然后经过简单热处理制备相应的硫化物或氧化物超薄膜。利用此方法,成功地制备了CdS、CdO、HgS和ZnS等薄膜。通过AFM、SEM、XRD、EDS、XPS和紫外-可见吸收光谱等分析手段对所制备的超薄膜进行了表征,结果表明得到的半导体薄膜表现出了较好的光学、电学等性质,为其在光学和电学领域的应用提供了理论基础。另外,通过此种方法可以有效地控制所制备薄膜的厚度,并且还可以把此种方法延伸到其它半导体超薄膜制备中,为半导体超薄膜的制备提供了一种简便且可有效控制膜厚的方法。