铁氧体和氧化锌薄膜的溶液法制备、结构与性质

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1、兰州大学博士学位论文铁氧体和氧化锌薄膜的溶液法制备、结构与性质姓名：田强申请学位级别：博士专业：材料物理与化学指导教师：李建功20100501兰州大学博：f：学协论文摘要随着现代通讯技术的迅猛发展，电子元器件的小型化、集成化、高频化必将使尖晶石型铁氧体薄膜大有用武之地。高密度垂直磁记录介质、薄膜磁头、薄膜变压器、薄膜电感器，多层膜器件以及生物工程、医疗诊断技术、磁性药物的发展将进一步加快铁氧体薄膜研究的步伐。尖晶石型铁氧体的结构和磁性质取决于掺杂离子的自身特性、浓度、占位以及制备方法。传统的铁氧体薄膜制备工艺中，材料的晶化需要在高温下进行(>60

2、00C)，使得铁氧体薄膜不适合在耐热性较差的基底材料(如聚脂膜、聚合物颗粒、GaAs集成电路等)上沉积。目前低温合成尖晶石型铁氧体薄膜的主流方法是旋转喷涂法，但是这一方法存在制备过程复杂、浪费反应液等缺点，而且旋转喷涂法制备样品过程中溶液pH值较高，很容易优先生成氧氧化铁之类的沉淀物。Izaki发明的催化法可以克服上述困难，但是有关催化法的研究比较少，该方法目前仅能用来制备Fe304薄膜和成份单一的Feo．16Zn2倒04铁氧体薄膜，这对催化法的推广是不利的。本论文工作的第一个创新点是采用催化法制备出了NiZnCo掺杂的尖晶石型铁氧体薄膜并对其结

3、构和性质进行了细致研究：(1)采用催化法，在80。C条件下，通过控制Fe(N03)3、Zn(N03)2、Ni(N03)2、Co(N03)2反应物的浓度，首次在硝酸盐和二甲基胺硼烷(DMAB)溶液一l-制备出了多组份掺杂的Nio．1iZnlC00．03Fe2．86-i04妒0．00、O．23、0．34、0．43和0．51)尖品石型铁氧体薄膜。Zn2+离子易于沉积入薄膜rl-，制备过程llI控制Zn2+离子的浓度尤为关键。(2)N沁lZno51Coo．03Fe2．3504薄膜是由40．50nm的等轴颗粒组成。淳膜沉秋1小时后，膜厚达到500nm左右，

4、表面较粗糙，从薄膜表面的最低谷到最高峰有200nm的起伏。随着Zn2+离子含量的增加，组成溥膜的颗粒变得均匀细小。(3)XRD谱分析表明，z从0增加到0．5l，点阵常数从8．383A增大到8．425A。南Scherrer公式计算山的晶粒尺寸在40nm左右。随着Zn2+离子含量的增加，680cm一波数处的Raman峰发生了移动而且逐渐宽化，该峰可拟合为波数在655和687cm一的两个峰，他们分别归属于Zn04和Fe04四面体的伸缩振动，证明Zn2+离子倾向于占据A位。兰州入学博J二学位论文(4)薄膜的磁性可以通过调节Zn2+离子含量来控制。x增加，

5、饱和磁化强度先增大后减小，在x=0．35时，达到460emu／cc的最大值，矫顽力单调的从154Oe降低到22Oe。其原因是Zn2+离予取代A位的Fe3+离子，引起了A．O．B超交换相互作用的减弱以及A位、B位磁矩的变化。一维ZnO纳米材料由于具有独特的电学、光学、光电和压电性质以及在纳米发电机、气敏、发光二极管等领域的应用而引起人们的关注。大量的实验证明，不同形貌、不同尺寸的ZnO纳米结构具有不同的性质。可控合成不同的一维ZnO纳米结构，研究形貌、尺寸相关的性能是一项非常有意义工作。金属有机气相沉积、气相输运以及水溶液等许多方法已被用来制备Zn

6、O纳米结构。其中物理法需要高温、复杂的仪器并且产量低，而水溶液化学法制备过程简单、能耗低并可大规模制备。到目前为止，采用lzaki的水溶液法，还没有关于合成出ZnO纳米钊‘阵列、纳米棒阵列、方尖塔阵列以及多晶膜的报道。本论文工作的第二个创新点是采用催化法制备出了多种一维ZnO纳米结构并对其结构和性质进行了细致研究：(1)采用催化法，调节Zn(N03)2的浓度，首次在Zn(N03)2．DMAB溶液·l-制各出了ZnO纳米针阵列、纳米棒阵列以及ZnO多品薄膜。低浓度Zn(N03)2(2．15mM)条件下有利于得到ZnO纳米针阵列。(2)将反应时间从1

7、分钟延长至96小时，低Zn(N03)2浓度条件下ZnO纳米结构依次经历了形成等轴晶粒、等轴晶粒到纳米棒、纳米棒到纳米针、纳米针的生长、纳米针到方尖塔、方尖塔到六角柱的演变过程。生长过程是由ZnO自身的晶体学特性，溶液中Zn2+离子的扩散方向以及牛长热力学等因素引起的。(3)TEM和XRD结果证明ZnO纳米结构的生长方向是<0001>晶体学方向。通过SEM结果估算，得出单位薄膜面积内针状ZnO纳米线阵列具有最大的表面积。XPS结果证明ZnO纳米结构表面存在Zn(OH)2和O空位的表面态。(4)ZnO纳米针阵列具有最大的可见光发射强度，这是由于ZnO

8、纳米针阵列表而具有最大数量的可见光发光中心。ZnO纳米针阵列同时具有最高的光催化降解甲基橙的活性。关键词：尖晶石型铁氧体；氧化锌；薄膜；