Cu掺杂ZnO纳米片的制备及其性能研究

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纳米ZnO由于其独特的物理和化学性能,在自旋电子学、光电器件以及生物传感器等领域具有重大的应用潜力。用Cu对ZnO进行掺杂可改变ZnO的电子结构,从而导致ZnO的光学,电学和磁学性质急剧变化,以满足特殊的需求和应用。本论文的设计思想是如何在Zn/Cu双层材料或Zn-Cu合金上制备出Cu掺杂的ZnO纳米结构。本论文研究出一种新的,快速和低成本的方法来制备Cu掺杂ZnO纳米片。用不同浓度的CuSO4溶液短时间侵蚀锌片后自然干燥,再将CuSO4侵蚀过的锌片进行200℃500℃退火。用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电子显微镜(TEM),对不同实验阶段的试样进行表征。结果发现用CuSO4溶液侵蚀锌片后形成‘Cu掺杂ZnO纳米片/Cu-Zn层/基体锌’的复杂结构。Cu掺杂ZnO纳米片是六方晶体结构的多晶,晶粒尺寸为(510)nm。随着退火温度的升高,ZnO中Cu掺杂的量降低,当退火温度高于锌的熔点,Cu掺杂的量在ZnO中的速度降低更快。当退火温度低于锌的熔点(410℃)时,退火前后纳米片形貌几乎保持不变。当退火温度高于锌的熔点时,ZnO纳米片形貌的变化取决于原先CuSO4溶液的浓度。根据CuSO4与锌的化学反应和方程,建立了原电池反应物理模型来解释Cu掺杂ZnO纳米片的形成。并通过氧化热力学分析和平衡氧分压计算,对退火过程ZnO纳米片中Cu掺杂含量的变化给予解释,同时对退火过程中ZnO纳米片形貌的变化也进行了分析。对退火后的试样进行光致发光性能测试,从ZnO纳米片的光致发光图谱可以看到紫光波发生红移。对水在样品表面的润湿角也进行了测试,结果表明样品表面ZnO形貌变化或样品在空气中停留时间都会影响水在试样上的润湿角。对机械研磨处理(SMAT)前后的Cu0.62Zn0.38黄铜片试样在400℃700℃,N2-5%O2气氛中氧化。用SEM、XRD和TEM对氧化产物进行表征。结果表明当氧化温度在500℃600℃时,在黄铜表面形成ZnO纳米片或纳米线;所得到的ZnO纳米片或纳米线为单晶六方晶体结构。与未经机械研磨处理的黄铜相比,对黄铜进行SMAT处理可促进在氧化过程中形成ZnO纳米片。用氧化过程的热应力对黄铜表面形成单晶ZnO纳米结构进行解释。并根据SMAT处理能增加变形孪晶来解释SMAT处理促进在氧化过程中形成ZnO纳米片。
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