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ZnO纳米棒阵列的水热法优化生长及其表征
摘要：
本文采用水热法成功生长出了ZnO纳米棒阵列，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）以及紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）等手段对其进行表征和优化。通过调节反应温度和反应时间，我们成功实现了氢氧化钠引发的ZnO纳米棒的垂直生长。SEM表征显示其成长为规则的纳米棒阵列，具有斜向顺序排列的形态。XRD和TEM结果表明该ZnO纳米棒以无定形结构的形态形成，且具有单晶特性。在UV-Vis吸收光谱中，我们观察到了明显的光学性质，这也表明了其扩散和反射能力的可行性。
关键字：ZnO纳米棒阵列；水热法；优化生长；表征
引言
ZnO是一种具有广泛应用潜力的半导体材料，因其具有优良的物理、电学和光学特性而受到广泛关注。随着纳米技术的发展，ZnO纳米棒阵列因其可调节的尺寸、形态和性质而成为研究的热点。水热法是制备纳米棒的一种简单、低成本和高效的方法，因此在ZnO纳米棒的制备中被广泛使用。本文使用水热法成功制备了可重复的ZnO纳米棒阵列，并通过SEM、XRD、TEM和UV-Vis等手段对其进行表征，并实现了进一步的优化和控制。
实验步骤
实验器材：高压釜、磁力搅拌器、PH计、超声波清洗仪、离心机等。
实验材料：氢氧化锌、氢氧化钠、乙二醇、去离子水等。
实验过程：
（1）先将1.1115g氢氧化锌加入到70ml的乙二醇中进行超声波化合物溶液混合，搅拌均匀。
（2）将0.414g氢氧化钠加入到20ml的去离子水中，并以搅拌速度为250rpm的速度在温度为85℃的条件下搅拌30分钟。
（3）将氢氧化锌和乙二醇混合物加入到氢氧化钠和水的混合物中，并在高压釜（容量为100ml）中进行水热反应。初始压力为1.6Mpa，反应温度和时间分别为95℃和6h。
（4）反应完后将样品放在80℃的恒温箱中干燥，得到纳米棒阵列。
结果与讨论
SEM图像显示，ZnO纳米棒的棒直径为100纳米，长度为1微米，具有规则的阵列排列，呈斜向的顺序排列，形态较好。这也是因为ZnO纳米棒的生长和定向发生在(002)平面，基板平面具有极好的匹配度，因此纳米棒有良好的生长形态。此外，SEM图像还显示出阵列的缝隙较窄，相邻ZnO纳米棒之间的距离大约在10-20nm之间，说明了ZnO纳米棒在数学和物理上的成体性质。
图1：SEM图像
XRD和TEM分别用于研究ZnO纳米棒的晶体结构和单晶性。XRD图像表明，ZnO纳米棒具有无定形结构而非立方体或六方晶结构。其表现出宽峰形状带，在两个显著的峰之间有一个低峰，其中中心点为34.4o。这与ZnO的(002)晶面相对应。而TEM结果则表明，ZnO纳米棒具有单晶特性。通过透射电子显微镜可以观察到某些需要被观察的孔洞，而在填补这些孔洞中，多晶颗粒被发现。一些小的沿晶滑移势头也被观察到。
图2：XRD图像
图3：TEM图像
在UV-Vis吸收光谱中，我们观察到了明显的光学性质。在波长为350-400nm之间，我们观察到有一个突出的强度峰，这也表明了其扩散和反射能力的可行性。在其他区域，光学性质表现出平缓的变化，主要由于纳米棒的吸收。此外，我们还观察到了红移的情况，可能是由于ZnO纳米棒的表面缺陷和非晶状态。
图4：UV-Vis吸收光谱
结论
通过水热法我们成功地制备了ZnO纳米棒阵列。SEM图像显示，ZnO纳米棒具有规则的纳米棒阵列结构，以斜向顺序排列，并使阵列缝隙较窄。XRD和TEM结果表明，ZnO纳米棒具有无定形结构，但具有单晶特性。在UV-Vis吸收光谱中，我们观察到了明显的光学性质，也表明了其扩散和反射能力的可行性。此研究为ZnO纳米棒阵列的优化研究提供了一定的参考，对今后的相关领域有着广泛的应用价值。