锡掺杂氧化锌微纳结构制备及光学性质研究(附件)【字数：8517】
本文主要研究Sn掺杂ZnO纳米结构的制备、形貌及光学性质的探讨，并通过相应的实验手段分析了其微观机理。使用化学气相沉积法(CVD)，在不同外在实验条件以及不同用量配比下，在硅衬底上长了多个Sn-ZnO的纳米结构。使用X射线衍射以及扫描电镜对样品的形貌结构进行了表征，实验结果表明制备的掺杂样品呈现非常规整的正六边形结构，分析得出其具有纤锌矿层状结构。在PL变温光谱图中我们可以发现合成的样品在位于370 nm处的禁带边紫外发光峰，这是由于自由激子的辐射复合所引起的,而第二个可见发光峰在500 nm-750 nm之间，峰位很宽。紫外发光峰随温度的变化发光强度发生了很明显的变化，这主要是由于温度升高束缚激子吸热转变为自由激子所引起的结果。在实验中我们得出未添加催化剂的罗丹明B溶液完全降解需要9h，而加入Sn-ZnO作为光催化的罗丹明B溶液只需要在80 min左右就可以完全降解，这说明Sn-ZnO具有非常好的光催化性能，并且我们对不同掺杂Sn浓度的样品的催化性对比发现，在SnZnO=0.1381时其催化效率达到最高，完全催化只需要40 min。关键词氧化锌;掺杂;纳米结构;化学气相沉积法(CVD) III
目录
摘要 III
Abstract IV
第一章绪论 1
1.1纳米材料性质及其发展 2
1.2 ZnO纳米材料的性能 2
1.3掺杂异种元素的ZnO的发展现状 3
1.4 ZnO目前的研究工作及本文的研究内容 4
第二章ZnO纳米棒的制备方法、装置和表征手段 6
2.1 化学气相沉积法(CVD) 6
2.2样品制备装置 6
2.3样品的表征装置 8
第三章 锡掺杂氧化锌纳米线的制备和表征 9
3.1锡掺杂氧化锌微米颗粒的制备 9
3. 2锡掺杂氧化锌纳米线的表征 10
3.2.1扫描电镜表征样品外部形貌 10
3.2.2 X射线衍射谱 11
3.2.3光致发光测量 14
3.2.4 SnZnO的光催化性能的研究 15
3.2.5 SnZnO吸收光谱及其禁带宽度测量 18
第四章结论与 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
建议 22
致谢 25
第一章 绪论
当代社会随着生物、通信技术、医学、新兴科学技术、纳米技术、国防军事以及航空航天等方面的快速发展，人们对材料的要求越来越趋向于纳米型、高智能化、高度集成、微型材料的大密度存储以及极快速度的信息传输等。而材料发展的纳米化已经成为了不可阻挡的发展趋势。纳米材料将会成为未来的主流材料，在很多的领域起到至关重要的作用。关于纳米这个概念是由美国的物理学家理查德费曼第一次发表提出来的，在上个世纪五十年代末举行的物理学术大会上，费曼凭借他的想象力和长远的眼光做了个十分有价值的演讲，即“最低层大有发展空间”。他指出了一条全新的研究材料的道路，使得人们接触到的物质世界越来越微型化。此后随着检测手段越来越接近物质的纳米层面，费曼靠想象力发表的报告也逐渐成为现实。上个世纪末，第一台扫描隧道显微镜被科学家们研制了出来，这项发明使得人们在微型材料方面的研究更加的方便，揭开了纳米这个新兴词汇的神秘面纱，使得人们能够清晰的看到粒子原子的微观世界。上个世纪末，首届纳米科学技术研讨会议在美国举行，这次会议宣布了纳米科学技术正式诞生。纳米科学可以分为五大类，如图11
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图11纳米科技的五大领域
随着时代的发展人们对事物的要求越来越微型化，纳米科学技术已经逐渐成为新时代科学技术的核心组成部分。纳米氧化锌材料具有很典型的半导体性能，由于其具有比较宽的带隙、很高的激子束缚能以及优良的光电、压电性质，纳米ZnO在军事特种装备、紫外激光器件、发光器件、光催化剂等领域具有很宽广的运用前景。对纳米ZnO形貌以及结构的人为操控与其性质的研究也逐渐成为现今研究纳米材料的主要方向。
1.1 纳米材料性质及其发展
随着时代的发展进步，各种技术设备都日渐趋于纳米化，故纳米材料的研究取得了重要的进步。它的重要应用价值使得各国科学家都开始了对它的研究工作，导致近几十年来纳米材料的发展势头十分迅猛。纳米级的微型半导体材料的发光效率很高并且导电性能也很好，除此之外它还具有较高的热化学稳定性[14]，故其在高端微型电子器件领域有很重要的研究意义及价值。纳米材料按其维数分类，可分为零维纳米材料(如颗粒)、一维纳米材料(如纳米丝、纳米棒、纳米管等)、二维纳米材料(如超薄膜、晶格等)、三维纳米材料(晶体粒子大小在某个方向是几个纳米大小)。
材料的结构从宏观转换为纳米层面的时侯，它的物理化学性能就会发生显著的变化。纳米材料韧度高、强度硬，这是因为纳米结构材料的粒子半径越小其强度越高。金属陶瓷材料由于晶粒粗大，它的力学强度在宏观层面上很难有提高。因此科学家想到了将其纳米化，纳米陶瓷材料在韧性、强度、硬度等方面相较于以前都有大幅度的提高，所以目前纳米金属陶瓷在加工材料等领域占据了十分重要的研究地位。
1.2 ZnO纳米材料的性能
ZnO是是一种常见的金属化合物，有很好的热稳定性和抗氧化性，因此它暴露在空气中也不易被氧化。ZnO晶体微观结构如图12所示。ZnO晶体的激子束缚能高达60 meV，不易发生热离化。
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图12氧化锌晶体结构图
物质转化成纳米尺寸时，其物理化学方面的性能就会发生突变，从而表现出某些明显区别于块状材料的性能。纳米氧化锌颗粒很细致，它的晶胞结构及电子结构会区别于块状材料，这就是粒子表面效应，这种纳米材料往往具有区别于块状材料的物理化学性能，最常研究的有光催化性、气体敏感性、电极化性、非迁移性质等物理化学性能，使其在高端科技、军事装备、环境保护、生物医疗等方面有了十分重要的应用价值。由于纳米材料的这种独特性质，科学家常常将其运用在金属陶瓷器件、光催化剂、气体传感器[57]及纳米电子[8]、纳米机械[9]等方面。ZnO具有独特的气体敏感效应，所处的环境与其表面所吸附的粒子种类浓度都密切相关，并且随着科学家对纳米ZnO的光学性质的研究与认识，纳米ZnO在光学器件中的运用将会更加广泛。
1.3掺杂异种元素的ZnO的发展现状
氧化锌纳米材料在物理化学方面表现出来的独特性质以及目前日渐成熟的研究成果使得ZnO在纳米材料方面显得十分重要。但是氧化锌材料在光电性质方面表现出来的缺陷使得它目前还不能广泛的运用于高端的精密仪器。科学家通过氧化锌的掺杂研究发现，掺杂杂质元素可以改变氧化锌纳米结构的微观结构，从而改良它的导电性能以及光电性质。通过掺杂异种元素改良后的氧化锌纳米材料在电、磁、光等物理性质方面都大大的优于纯的氧化锌纳米结构，故其在生物医学、军事科技、环境保护等领域大展拳脚得到了广泛的应用。纯ZnO纳米材料的掺杂研究是一个十分有意义的重要课题很有研究前景。目前，纳米科学对ZnO的掺杂研究主要分为四类：n型和p型掺杂，共掺杂以及光催化掺杂。常见的n型ZnO掺杂元素主要有B、AL、Ga、In、Sn[1016],p型掺杂主要元素有I族元素（Li、Na、K、 Ag、 Cu、 Au)或V族元素(N、P、 As、 Sb)[1718]。
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摘要 III
Abstract IV
第一章绪论 1
1.1纳米材料性质及其发展 2
1.2 ZnO纳米材料的性能 2
1.3掺杂异种元素的ZnO的发展现状 3
1.4 ZnO目前的研究工作及本文的研究内容 4
第二章ZnO纳米棒的制备方法、装置和表征手段 6
2.1 化学气相沉积法(CVD) 6
2.2样品制备装置 6
2.3样品的表征装置 8
第三章 锡掺杂氧化锌纳米线的制备和表征 9
3.1锡掺杂氧化锌微米颗粒的制备 9
3. 2锡掺杂氧化锌纳米线的表征 10
3.2.1扫描电镜表征样品外部形貌 10
3.2.2 X射线衍射谱 11
3.2.3光致发光测量 14
3.2.4 SnZnO的光催化性能的研究 15
3.2.5 SnZnO吸收光谱及其禁带宽度测量 18
第四章结论与 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
建议 22
致谢 25
第一章 绪论
当代社会随着生物、通信技术、医学、新兴科学技术、纳米技术、国防军事以及航空航天等方面的快速发展，人们对材料的要求越来越趋向于纳米型、高智能化、高度集成、微型材料的大密度存储以及极快速度的信息传输等。而材料发展的纳米化已经成为了不可阻挡的发展趋势。纳米材料将会成为未来的主流材料，在很多的领域起到至关重要的作用。关于纳米这个概念是由美国的物理学家理查德费曼第一次发表提出来的，在上个世纪五十年代末举行的物理学术大会上，费曼凭借他的想象力和长远的眼光做了个十分有价值的演讲，即“最低层大有发展空间”。他指出了一条全新的研究材料的道路，使得人们接触到的物质世界越来越微型化。此后随着检测手段越来越接近物质的纳米层面，费曼靠想象力发表的报告也逐渐成为现实。上个世纪末，第一台扫描隧道显微镜被科学家们研制了出来，这项发明使得人们在微型材料方面的研究更加的方便，揭开了纳米这个新兴词汇的神秘面纱，使得人们能够清晰的看到粒子原子的微观世界。上个世纪末，首届纳米科学技术研讨会议在美国举行，这次会议宣布了纳米科学技术正式诞生。纳米科学可以分为五大类，如图11
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图11纳米科技的五大领域
随着时代的发展人们对事物的要求越来越微型化，纳米科学技术已经逐渐成为新时代科学技术的核心组成部分。纳米氧化锌材料具有很典型的半导体性能，由于其具有比较宽的带隙、很高的激子束缚能以及优良的光电、压电性质，纳米ZnO在军事特种装备、紫外激光器件、发光器件、光催化剂等领域具有很宽广的运用前景。对纳米ZnO形貌以及结构的人为操控与其性质的研究也逐渐成为现今研究纳米材料的主要方向。
1.1 纳米材料性质及其发展
随着时代的发展进步，各种技术设备都日渐趋于纳米化，故纳米材料的研究取得了重要的进步。它的重要应用价值使得各国科学家都开始了对它的研究工作，导致近几十年来纳米材料的发展势头十分迅猛。纳米级的微型半导体材料的发光效率很高并且导电性能也很好，除此之外它还具有较高的热化学稳定性[14]，故其在高端微型电子器件领域有很重要的研究意义及价值。纳米材料按其维数分类，可分为零维纳米材料(如颗粒)、一维纳米材料(如纳米丝、纳米棒、纳米管等)、二维纳米材料(如超薄膜、晶格等)、三维纳米材料(晶体粒子大小在某个方向是几个纳米大小)。
材料的结构从宏观转换为纳米层面的时侯，它的物理化学性能就会发生显著的变化。纳米材料韧度高、强度硬，这是因为纳米结构材料的粒子半径越小其强度越高。金属陶瓷材料由于晶粒粗大，它的力学强度在宏观层面上很难有提高。因此科学家想到了将其纳米化，纳米陶瓷材料在韧性、强度、硬度等方面相较于以前都有大幅度的提高，所以目前纳米金属陶瓷在加工材料等领域占据了十分重要的研究地位。
1.2 ZnO纳米材料的性能
ZnO是是一种常见的金属化合物，有很好的热稳定性和抗氧化性，因此它暴露在空气中也不易被氧化。ZnO晶体微观结构如图12所示。ZnO晶体的激子束缚能高达60 meV，不易发生热离化。
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图12氧化锌晶体结构图
物质转化成纳米尺寸时，其物理化学方面的性能就会发生突变，从而表现出某些明显区别于块状材料的性能。纳米氧化锌颗粒很细致，它的晶胞结构及电子结构会区别于块状材料，这就是粒子表面效应，这种纳米材料往往具有区别于块状材料的物理化学性能，最常研究的有光催化性、气体敏感性、电极化性、非迁移性质等物理化学性能，使其在高端科技、军事装备、环境保护、生物医疗等方面有了十分重要的应用价值。由于纳米材料的这种独特性质，科学家常常将其运用在金属陶瓷器件、光催化剂、气体传感器[57]及纳米电子[8]、纳米机械[9]等方面。ZnO具有独特的气体敏感效应，所处的环境与其表面所吸附的粒子种类浓度都密切相关，并且随着科学家对纳米ZnO的光学性质的研究与认识，纳米ZnO在光学器件中的运用将会更加广泛。
1.3掺杂异种元素的ZnO的发展现状
氧化锌纳米材料在物理化学方面表现出来的独特性质以及目前日渐成熟的研究成果使得ZnO在纳米材料方面显得十分重要。但是氧化锌材料在光电性质方面表现出来的缺陷使得它目前还不能广泛的运用于高端的精密仪器。科学家通过氧化锌的掺杂研究发现，掺杂杂质元素可以改变氧化锌纳米结构的微观结构，从而改良它的导电性能以及光电性质。通过掺杂异种元素改良后的氧化锌纳米材料在电、磁、光等物理性质方面都大大的优于纯的氧化锌纳米结构，故其在生物医学、军事科技、环境保护等领域大展拳脚得到了广泛的应用。纯ZnO纳米材料的掺杂研究是一个十分有意义的重要课题很有研究前景。目前，纳米科学对ZnO的掺杂研究主要分为四类：n型和p型掺杂，共掺杂以及光催化掺杂。常见的n型ZnO掺杂元素主要有B、AL、Ga、In、Sn[1016],p型掺杂主要元素有I族元素（Li、Na、K、 Ag、 Cu、 Au)或V族元素(N、P、 As、 Sb)[1718]。
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