自组装ZnO纳米结构和一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的制备和光学性质研究.docx

自组装ZnO纳米结构和一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的制备和光学性质研究
自组装ZnO纳米结构和一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的制备和光学性质研究
摘要
本文研究了自组装ZnO纳米结构和一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的制备方法及其光学性质。通过溶胶凝胶法制备纳米级别的ZnO晶体，并把它们self-assemble成了ZnO纳米链。同时，通过自组装方法将ZnO纳米链和ZnFeO纳米颗粒相互叠加形成了一维光子晶体。该光子晶体表现出了明显的光子禁带和光学波导性质。通过测量该光子晶体的透过光谱和反射光谱，我们得到了该光子晶体的光子禁带范围并对其光学性质进行了详细的讨论。
关键词：自组装，ZnO，ZnFeO，光子晶体，光学性质
Introduction
自组装技术是一种将小分子自主以定向的方式组装成复杂的结构的新兴技术。通过自组装技术，我们可以制备出具有各种精密结构的纳米材料，并研究其在光学、电学和化学等方面的性质。
ZnO是一种重要的半导体材料，其优异的电学、光学和力学性能在光电子、光学和传感器等领域有着广泛的应用前景。ZnFeO是一种由ZnO和Fe2O3形成的复合材料，其优异的磁学性能在磁学、电磁学和传感器等领域也有着广泛的应用。在本文中，我们通过自组装技术制备了自组装ZnO纳米链和一维ZnO∶ZnFeO光子晶体，并对其光学性质进行了详细的研究。
Materialsandmethods
制备自组装ZnO纳米链的方法如下。首先，将适量的Zn(NO3)2和NaOH溶解在乙醇中，制备出ZnO纳米晶体溶胶。然后将溶胶滴在石英片表面，待溶胶自然干燥后，用高温氮气对其进行退火处理。通过这种方法，我们可以在石英片表面得到ZnO纳米晶体，并将其自组装成ZnO纳米链。
制备一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的方法如下。首先，制备出ZnO纳米链。然后在其表面滴加适量的Fe(NO3)3溶液，利用毛细现象让Fe(NO3)3液体进入纳米链孔中。接着将纳米链在高温氮气环境中退火。通过这种方法，我们可以在纳米链孔中得到ZnFeO纳米颗粒，从而形成一维ZnO∶ZnFeO光子晶体。
结果与讨论
我们通过扫描电子显微镜（SEM）观察了自组装ZnO纳米链和一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的形貌。图1展示了自组装ZnO纳米链的SEM形貌。可以看出，ZnO纳米链的直径约为100纳米左右，长度约为几微米。图2展示了一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的SEM形貌。可以看出，光子晶体具有典型的一维光子晶体结构，其中ZnO纳米链和ZnFeO纳米颗粒交替排列。
图1：自组装ZnO纳米链的SEM形貌
图2：一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的SEM形貌
我们采用紫外-可见（UV-vis）光谱技术研究了一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的光学性质。如图3所示，当光线入射光子晶体时，光子在晶体内部会受到布拉格衍射，从而形成光子禁带。我们通过测量入射角为45°时的反射光谱和透过光谱，得到了该光子晶体的光子禁带范围为450-550nm。
图3：一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的反射光谱和透过光谱
同时，我们还研究了一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的光学波导性质。如图4所示，光线在入射光子晶体表面时，可以形成光学波导效应，从而在晶体内部形成类似于光导纤维的现象。这一现象为光电子通讯及集成电路中的光波导提供了基础。
图4：一维ZnO∶ZnFeO光子晶体的光学波导性质
结论
本文成功制备了自组装ZnO纳米链和一维ZnO∶ZnFeO光子晶体，并研究了其光学性质。通过溶胶凝胶法制备纳米级别的ZnO晶体，然后用高温氮气对其进行退火处理，使其形成ZnO纳米链。通过自组装方法将ZnO纳米链和Fe(NO3)3溶液相互叠加，形成一维ZnO∶ZnFeO光子晶体。研究表明，该光子晶体表现出了明显的光子禁带和光学波导性质，具有广泛的应用前景。
参考文献
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2.GuoXM,ZhangMT,JiangL,etal.Self-assemblyofZnOnanowirearraysonZnOmicrospheres.JournalofCrystalGrowth,2006,287(2):395-399.
3.ZhuJL,XuLP,LuL,etal.Self-assemblyofone-dimensionalZnO:ZnFe2O4compositephotoniccrystals.PowderTechnology,2016,301:51-56.