化学工艺专业优秀论文化学工艺专业优秀论文 ZnOZnO、GaGa 掺杂掺杂 ZnOZnO 纳米粉体的光、电性能纳米粉体的光、电性能研究研究关键词：氧化锌关键词：氧化锌 镓镓 掺杂效应掺杂效应 纳米粉体纳米粉体 光学性能光学性能 电学性能电学性能摘要：纳米材料是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展 有着重要影响的研究对象，也是纳米科技中最活跃、最接近应用的重要组成部 分。纳米尺度下所具有的诸多性能，如量子尺寸效应、小尺寸效应以及表面效 应等会对低维纳米材料的输运和光学性能产生重要影响，同时会在低维纳米体 系中实现比常规体材料更为优越的电、光、磁和机械性能。近年来，对纳米材 料及其性能的研究取得了巨大的进步，但仍有很多问题需要解决，也充满了机 遇。 氧化锌（ZnO）是一种新型的-族直接宽带隙半导体材料，室温下禁 带宽度为 3.37eV，激子结合能为 60meV。ZnO 因具有优良的压电、光电、压敏、 气敏等性质，在透明半导体、发光元件、太阳能电池窗口材料、光波导器、单 色场发射显示器、高频压电换能器、表面声波元件、微传感器以及低压压电电 阻器等方面具有广泛的应用。 纳米 ZnO 因同时具备纳米材料和重要半导体氧 化物两方面的优势，使得国内外科学界及工业部门对其研究与开发十分重视。 目前，科研人员对 ZnO 的光、电性能的研究普遍比较关注，为获得更丰富的 ZnO 的光学、电学性能，一种有效的方法就是在 ZnO 中掺入另一种材料。通过 对 ZnO 进行掺杂而得到更优良的光、电学性能成为当前研究的热点问题。但各 课题组对于 ZnO、掺杂 ZnO 的研究多集中在薄膜的制备及其性能研究方面，针 对 ZnO、Ga 掺杂 ZnO 纳米粉体光、电学性能研究的报道较少。因此，对 ZnO、Ga 掺杂 ZnO 粉体的光、电学性能进行系统研究具有重要的基础研究意义。本课题主要研究了 ZnO、Ga 掺杂 ZnO 粉体的合成与光、电学性能，为 ZnO 材 料更好和更为广泛的应用提供了理论依据和实验基础。具体内容如下： （1） 采用简单的水热/溶剂法与沉淀法相结合，制备了大量不同形貌的具有六角纤锌 矿结构的 ZnO，这些 ZnO 的尺寸包括纳米级和亚微米级两部分。着重对所制备 的不同形貌 ZnO 材料的光学性能进行了系统研究。通过对比分析，阐述了 ZnO 微晶粉体的形貌对样品的光吸收性能与荧光性能的影响。 研究结果表明：样 品的红外吸收主要受量子尺寸效应的影响而发生蓝移，并且蓝移量与粒径尺寸 有关，小尺寸（粒径lt;300nm）时，蓝移量相对较大。样品的紫外.可见 吸收与其粒径尺寸和形貌有一定的联系，当尺寸（粒径lt;300nm）较小时， 谱图中会出现 23 个新吸收峰，这些吸收峰有些可能是体相峰分裂而来。在我 们的研究中，纺锤状纳米棒几乎在整个可见光区都有强吸收，而长径比较大 （gt;15）的纳米棒仅在紫外光区产生了强吸收，在可见光区几乎无吸收。 样品的光致发光性能研究表明：小尺寸（粒径lt;300nm）的 ZnO 样品的两 个发射峰的峰位均在 399nm 和 466nm 附近。本文认为：这可能是纳米尺度 ZnO 粉体的 PL 谱特征峰。 （2）首次采用低温溶剂热路线，在不同 Ga 浓度的前驱 体溶液中合成了不同的 Ga 掺杂 ZnO 纳米粉末，并对这些粉末的光、电学性能进 行了系统研究，探讨了前驱体溶液中不同 Ga 浓度对样品的形貌、光吸收性能和 荧光性能、电学性能的影响。 研究结果表明：当前躯体溶液中 Ga 浓度小于 5mol时，随着 Ga 浓度的增加，所得粉末样品的直径（3070nm）几乎不变， 长度逐渐减小，其形貌由长径比约为 20 的一维纳米棒转变为长径比约为 2 的近似球状或六方棱状零维纳米粒子，且样品的结晶状态也由单晶逐渐转变为多晶。 PL 谱分析表明：由于 Ga 掺杂诱导了带隙重整，这引起了近带边发射峰（NBE） 随溶液中 Ga 浓度的增加逐渐红移。样品 UV-vis 吸收测试结果揭示：Ga 掺杂既 导致了样品的吸收带变宽，使得所制备的 Ga 掺杂 ZnO 样品在整个可见光区都有 强吸收。这对于其在光催化剂领域的应用具有实际价值。样品的电学特性分析 显示，随着溶液中 Ga 掺杂浓度增加，载流子浓度增加，电阻率和电子迁移率逐 渐下降。本试验中所得粉末样品的最佳电学性质为载流子浓度 6.201015 cm- 3，电阻率为 0.234 m。这为目前科研领域比较感兴趣的将 Ga 掺杂 ZnO 粉体 植入有机物，从而提高有机物电学性质方面的研究提供了数据参考。正文内容正文内容纳米材料是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有 着重要影响的研究对象，也是纳米科技中最活跃、最接近应用的重要组成部分。 纳米尺度下所具有的诸多性能，如量子尺寸效应、小尺寸效应以及表面效应等 会对低维纳米材料的输运和光学性能产生重要影响，同时会在低维纳米体系中 实现比常规体材料更为优越的电、光、磁和机械性能。近年来，对纳米材料及 其性能的研究取得了巨大的进步，但仍有很多问题需要解决，也充满了机遇。 氧化锌（ZnO）是一种新型的-族直接宽带隙半导体材料，室温下禁带宽度 为 3.37eV，激子结合能为 60meV。ZnO 因具有优良的压电、光电、压敏、气敏 等性质，在透明半导体、发光元件、太阳能电池窗口材料、光波导器、单色场 发射显示器、高频压电换能器、表面声波元件、微传感器以及低压压电电阻器 等方面具有广泛的应用。 纳米 ZnO 因同时具备纳米材料和重要半导体氧化物 两方面的优势，使得国内外科学界及工业部门对其研究与开发十分重视。目前， 科研人员对 ZnO 的光、电性能的研究普遍比较关注，为获得更丰富的 ZnO 的光 学、电学性能，一种有效的方法就是在 ZnO 中掺入另一种材料。通过对 ZnO 进 行掺杂而得到更优良的光、电学性能成为当前研究的热点问题。但各课题组对 于 ZnO、掺杂 ZnO 的研究多集中在薄膜的制备及其性能研究方面，针对 ZnO、Ga 掺杂 ZnO 纳米粉体光、电学性能研究的报道较少。因此，对 ZnO、Ga 掺杂 ZnO 粉体的光、电学性能进行系统研究具有重要的基础研究意义。 本课题主要研 究了 ZnO、Ga 掺杂 ZnO 粉体的合成与光、电学性能，为 ZnO 材料更好和更为广 泛的应用提供了理论依据和实验基础。具体内容如下： （1）采用简单的水热 /溶剂法与沉淀法相结合，制备了大量不同形貌的具有六角纤锌矿结构的 ZnO， 这些 ZnO 的尺寸包括纳米级和亚微米级两部分。着重对所制备的不同形貌 ZnO 材料的光学性能进行了系统研究。通过对比分析，阐述了 ZnO 微晶粉体的形貌 对样品的光吸收性能与荧光性能的影响。 研究结果表明：样品的红外吸收主 要受量子尺寸效应的影响而发生蓝移，并且蓝移量与粒径尺寸有关，小尺寸 （粒径lt;300nm）时，蓝移量相对较大。样品的紫外.可见吸收与其粒径 尺寸和形貌有一定的联系，当尺寸（粒径lt;300nm）较小时，谱图中会出 现 23 个新吸收峰，这些吸收峰有些可能是体相峰分裂而来。在我们的研究中， 纺锤状纳米棒几乎在整个可见光区都有强吸收，而长径比较大（gt;15） 的纳米棒仅在紫外光区产生了强吸收，在可见光区几乎无吸收。样品的光致发 光性能研究表明：小尺寸（粒径lt;300nm）的 ZnO 样品的两个发射峰的峰 位均在 399nm 和 466nm 附近。本文认为：这可能是纳米尺度 ZnO 粉体的 PL 谱特 征峰。 （2）首次采用低温溶剂热路线，在不同 Ga 浓度的前驱体溶液中合成 了不同的 Ga 掺杂 ZnO 纳米粉末，并对这些粉末的光、电学性能进行了系统研究， 探讨了前驱体溶液中不同 Ga 浓度对样品的形貌、光吸收性能和荧光性能、电学 性能的影响。 研究结果表明：当前躯体溶液中 Ga 浓度小于 5mol时，随着 Ga 浓度的增加，所得粉末样品的直径（3070nm）几乎不变，长度逐渐减小， 其形貌由长径比约为 20 的一维纳米棒转变为长径比约为 2 的近似球状或六方棱 状零维纳米粒子，且样品的结晶状态也由单晶逐渐转变为多晶。PL 谱分析表明： 由于 Ga 掺杂诱导了带隙重整，这引起了近带边发射峰（NBE）随溶液中 Ga 浓度 的增加逐渐红移。样品 UV-vis 吸收测试结果揭示：Ga 掺杂既导致了样品的吸 收带变宽，使得所制备的 Ga 掺杂 ZnO 样品在整个可见光区都有强吸收。这对于其在光催化剂领域的应用具有实际价值。样品的电学特性分析显示，随着溶液 中 Ga 掺杂浓度增加，载流子浓度增加，电阻率和电子迁移率逐渐下降。本试验 中所得粉末样品的最佳电学性质为载流子浓度 6.201015 cm-3，电阻率为 0.234 m。这为目前科研领域比较感兴趣的将 Ga 掺杂 ZnO 粉体植入有机物， 从而提高有机物电学性质方面的研究提供了数据参考。 纳米材料是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着重 要影响的研究对象，也是纳米科技中最活跃、最接近应用的重要组成部分。纳 米尺度下所具有的诸多性能，如量子尺寸效应、小尺寸效应以及表面效应等会 对低维纳米材料的输运和光学性能产生重要影响，同时会在低维纳米体系中实 现比常规体材料更为优越的电、光、磁和机械性能。近年来，对纳米材料及其 性能的研究取得了巨大的进步，但仍有很多问题需要解决，也充满了机遇。 氧化锌（ZnO）是一种新型的-族直接宽带隙半导体材料，室温下禁带宽度 为 3.37eV，激子结合能为 60meV。ZnO 因具有优良的压电、光电、压敏、气敏 等性质，在透明半导体、发光元件、太阳能电池窗口材料、光波导器、单色场 发射显示器、高频压电换能器、表面声波元件、微传感器以及低压压电电阻器 等方面具有广泛的应用。 纳米 ZnO 因同时具备纳米材料和重要半导体氧化物 两方面的优势，使得国内外科学界及工业部门对其研究与开发十分重视。目前， 科研人员对 ZnO 的光、电性能的研究普遍比较关注，为获得更丰富的 ZnO 的光 学、电学性能，一种有效的方法就是在 ZnO 中掺入另一种材料。通过对 ZnO 进 行掺杂而得到更优良的光、电学性能成为当前研究的热点问题。但各课题组对 于 ZnO、掺杂 ZnO 的研究多集中在薄膜的制备及其性能研究方面，针对 ZnO、Ga 掺杂 ZnO 纳米粉体光、电学性能研究的报道较少。因此，对 ZnO、Ga 掺杂 ZnO 粉体的光、电学性能进行系统研究具有重要的基础研究意义。 本课题主要研 究了 ZnO、Ga 掺杂 ZnO 粉体的合成与光、电学性能，为 ZnO 材料更好和更为广 泛的应用提供了理论依据和实验基础。具体内容如下： （1）采用简单的水热 /溶剂法与沉淀法相结合，制备了大量不同形貌的具有六角纤锌矿结构的 ZnO， 这些 ZnO 的尺寸包括纳米级和亚微米级两部分。着重对所制备的不同形貌 ZnO 材料的光学性能进行了系统研究。通过对比分析，阐述了 ZnO 微晶粉体的形貌 对样品的光吸收性能与荧光性能的影响。 研究结果表明：样品的红外吸收主 要受量子尺寸效应的影响而发生蓝移，并且蓝移量与粒径尺寸有关，小尺寸 （粒径lt;300nm）时，蓝移量相对较大。样品的紫外.可见吸收与其粒径 尺寸和形貌有一定的联系，当尺寸（粒径lt;300nm）较小时，谱图中会出 现 23 个新吸收峰，这些吸收峰有些可能是体相峰分裂而来。在我们的研究中， 纺锤状纳米棒几乎在整个可见光区都有强吸收，而长径比较大（gt;15） 的纳米棒仅在紫外光区产生了强吸收，在可见光区几乎无吸收。样品的光致发 光性能研究表明：小尺寸（粒径lt;300nm）的 ZnO 样品的两个发射峰的峰 位均在 399nm 和 466nm 附近。本文认为：这可能是纳米尺度 ZnO 粉体的 PL 谱特 征峰。 （2）首次采用低温溶剂热路线，在不同 Ga