中南氧化锌纳米粉体的低温化学法合成与性能研究.doc

应用化学实验报告实验一氧化锌纳米粉体的低温化学法合成与性能研究学院化学化工学院指导老师专业班级姓名学号同组人2012年06月09日实验一氧化锌纳米粉体的低温化学法合成与性能研究一、实验目的1.了解一些常规低温液相化学方法制备纳米材料的基本原理和方法。2.学习差热、热重和X光射线衍射等分析方法在无机物合成中的应用。3.了解纳米ZnO的发光性能，熟悉荧光仪的使用方法。4.了解纳米ZnO的气敏原理，熟悉气敏性能的检测方法。二、实验原理氧化锌(ZnO)是一种宽禁带直接迁移型半导体功能材料，单晶ZnO为六方晶体(纤锌矿)结构，室温下的禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60MeV。该激子室温下不易被电离,使激发发射机制有效,这将大大降低ZnO在室温下的激射阈值，有可能实现较强的紫外受激辐射，可用来制作紫外光激光器和探测器。另外，ZnO还被广泛地应用于制作发光显示器件、声表面波器件、压敏材料、气敏传感器、异质结的n极和磁性材料器件及透明导电膜等。纳米级ZnO由于粒子尺寸小，比表面积大，具有表面效应、量子尺寸效应和小尺寸效应等，与普通ZnO相比，表现出许多特殊的性质，如无毒、非迁移性、压电性、荧光性、吸收和散射紫外线的能力。这一新的物质形态赋予了ZnO在科技领域许多新的用途。ZnO的禁带宽度为3.2eV，它所对应的吸收波长为388nm，由于量子尺寸效应，粒度为10nm时，禁带宽度增加到4.5eV，因此它不仅能吸收紫外波长320—400nm，而且也对紫外中波280—320nm也有很强的吸收能力，因此它是一种很好的紫外屏蔽剂，可制得紫外光过滤器、化妆品防晒霜；纳米ZnO的比表面积大，表面活性中心多，在阳光、尤其在紫外线照射下，在水和空气中，能自行分解出自由移动的带负电荷的电子(e-)，同时留下带正电荷的空穴(h+)，这种空穴可以激活空气和水中的氧变为活性氧，它能与多种有机物(包括细菌)发生氧化反应，从而除去污染和杀死病毒。因而可作为高效光催化剂，用于降解废水中的有机污染物，净化环境；纳米ZnO对外界环境十分敏感，从而成为非常有用的传感器材料，如用纳米ZnO制作气体报警器和吸湿离子传导温度计等；纳米ZnO对电磁波、可见光和红外线都具有吸收能力，用它作隐身材料，不仅能在很宽的频带范围内逃避雷达的侦察，而且能起到红外隐身作用。同时，氧化锌是熔点为1975℃的氧化物，具有很高的热稳定性和化学稳定性，又由于它是无机物，具有无毒、无刺激、不变质而倍受青睐。因而采用各种方法制备、开发和使用纳米ZnO已成为材料科技领域一大新的研究热点。纳米结构ZnO半导体的发光来源于电子和空穴的激子辐射复合发光。半导体纳米颗粒光泵浦激发后产生电子一空穴对（激子），电于与空穴复合可能的途径有：导带电子与俘获的空穴复合；俘获的电子与价带的空穴复合。这种直接复合产生檄子态发光。由于纳米结构ZnO有宽的禁带隙（Eg＝3.37ev），大的比表面积，材料接口中的空穴浓度大，小尺寸效应导致电子的平均自由程局限在纳米空间，与激光波长相当，进而引起电子和空穴坡函数的重叠，易形成Wannier激子。由于量子限域效应和电子与空穴之间的Coulomb作用，高浓度激子在能隙中靠近导带底形成檄子能级，见图1，激发能被在禁带中分立的中心吸收，产生激子发光。可见，半导体纳米结构ZnO发光机制在于纳米结构材料内部的量子限域效应，即在纳米晶粒内部激发的光电子是通过晶粒边界深复合能级的激子复合发光，属于复合发光中心的发光材料。发光中心是导带中的电子与价带中的空穴或禁带中的定域能级间的电子空穴复含，产生激子态发光。纳米结构ZnO发光机制是通过量子限域-发光中心进行的。纳米结构ZnO典型的发射光谱如图2所示。ZnO属于N型半导体，含有氧空位或锡间隙离子，气敏效应明显。关于其气敏机理的理论模型有多种，一般认为其气敏机理是表面吸附控制型机制，即在洁净的空气（氧化性气氛）中加热到一定的温度时对氧进行表面吸附，在材料的晶界处形成势垒，该势垒能束缚电子在电场作用下的漂移运动，使之不易穿过势垒，从而引起材料电导降低；而在还原性被测气氛中吸附被测气体并与吸附氧交换位置或发生反应，使晶界处的吸附氧脱附，致使表面势垒降低，从而引起材料电导的增加，通过材料电导的变化来检测气体。理论模型中的一种为：OO-----VO++e+1/2O2(1)OO+-----VO2++e+1/2O2(2)ZnZn-------ZnI2++2e(3)氧化锌压敏陶瓷是近二十年来发展起来的新型电压敏感材料，利用ZnO晶