氧化锌量子点及其复合物的制备和光学性质研究

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ZnO是Ⅱ-Ⅵ族半导体功能材料,其禁带宽度为Eg=3.37eV,室温下激子结合能高达60meV。ZnO具有优异的场发射、光学、传输、气敏、压敏等特性,在纳米激光器、单电子晶体管、紫外光探测器、室温场效应晶体管、场致发射平板、显示器、化学传感器、过流保护方面的压敏材料、太阳能电池、防晒化妆品、涂料等领域具有潜在的应用前景。   本文研究了不同粒径和形貌的纳米ZnO制备及其形成机理。采用溶胶-凝胶法、水热法分别制备了ZnO量子点、ZnO纳米棒、ZnO空心微球、ZnO-NCC纳米复合物以及ZnO-Ag纳米复合物,利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)及紫外-可见分光光度仪(UV-vis)等表征了其尺寸、形貌、组成、结构以及光学性能,并对表征结果进行了分析和讨论。具体研究内容和成果概括如下:   利用溶胶-凝胶法制备ZnO溶胶,通过超声处理获得ZnO纳米颗粒,对其进行XRD和TEM表征。结果发现,所得纳米颗粒粒径为4-7nm,分散性良好,无团聚现象。   以海藻酸钠(SA)为模板制备了ZnO纳米棒和ZnO中空微球,并对其进行XRD、SEM和TEM表征及光致发光性能测试。结果发现:SA和氨水用量,对产物的形貌有较大影响。SA的添加,可有效地促进ZnO纳米结构向中空微球状发展,而加入适量的氨水,可增强ZnO纳米棒的生长趋势。ZnO纳米棒的PL谱图中存在3个发射峰,分别位于350nm、390nm和580nm。   以ZnAc2·2H2O、纳米纤维素(NCC)为原料,在超声辅助下制备出ZnO-NCC纳米复合物,对其进行XRD、SEM、TEM、UV-vis和TGA等一系列表征。结果发现,ZnO纳米粒子附着在NCC表面,当摩尔比Zn2+∶NCC=4时,复合物在570nm处的绿色荧光峰最强,此时在NCC表面仍有部分未被ZnO附着,表明表面仍存在自由羟基,这对进一步功能化此复合物提供了可能,最后对复合物的形成机理进行了推测。   在SA的存在下,通过水热法合成出Ag-ZnO三维中空微球,并进行XRD、SEM和HRTEM等一系列表征。结果表明,样品是由金属Ag和纤锌矿型ZnO组成。Ag-ZnO的三维中空微球是由一维的Ag-ZnO纳米棒自组装而成。   另外,通过对苯二酚还原,制备出具有核-壳结构的ZnO-Ag纳米复合物,产物具有良好的晶体结构。ZnO的结构并没有改变仍为纤锌矿结构。通过对其光学性质研究发现,Ag表面等离子吸收峰发生红移,说明Ag和ZnO之间存在相互作用。荧光光谱曲线表明,金属Ag的包覆作用促使ZnO纳米晶的光学性质发生了一定的改变,即包覆后的ZnO量子点的紫外区域的荧光强度大大提高,而可见区域的发射几乎消失。
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