氧化锌粉体的低温化学合成法

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1、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

2、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

3、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。图1.纳米ZnO激子能级图2.纳米ZnO粉体材料的典型发射光谱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

4、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)氧化锌压敏电阻器是一种伏安特性为非线性的元件，和其它非线性元件（如稳压二极管、整流管等）相比，具

5、有电压范围宽（几伏到几十万伏、电压温度系数小、耐浪涌（超过正常工作电压的异常电压）能力强、寿命长、工艺简单、非线性系数大（非线性系数大于50）等优点.图3是ZnO压敏电阻的非线性电流－电压曲线。由该曲线，可以求得非线性系数：α=lg(I1/I2)/lg(U1/U2)图3.ZnO压敏电阻的非线性电流－电压曲线式中U1和U2分别为对应于电流为I1=0.1mA和I2=1mA时的电压.它可用来表征压敏陶瓷的非线性电流—电压关系，表现该变阻器对电流变化的敏感程度。变阻器的另一个技术指标为压敏电压U1,指电流

6、为0.1mA时的电压。本实验以硝酸锌为原料，用不同方法合成为氧化锌，并对其结构、性能（荧光）进行表征。1．溶胶凝胶法是一种60年代发展起来的一种制备玻璃，陶瓷等无机材料的新工艺。其基本原理是用金属醇盐水解直接形成溶胶或者经解凝形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥焙烧去除有机成分，最后得到有机材料。由于该方法具有化学均匀性好、产品纯度高、颗粒细、烧结温度低和可容纳不溶性组分或不沉淀组分等优点，用此法产生团聚块等缺点。柠檬酸溶胶凝胶是以柠檬酸和无机金属盐作原料，所涉原料便宜，同时具有凝胶溶胶法

7、的优点，因此它被广泛用来制备纳米材料。2．化学沉淀法是一种制备纳米材料的洁净方法，其基本原理是一定条件下在包含一种或多种金属离子的可溶性溶液中加入沉淀剂，形成不荣幸的氢氧化物、水合氧化物或者盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经热分解或脱水即得到所需的氧化物粉末。化学沉淀法又分为共沉淀法、均相沉淀法、金属醇盐水解法。其中均相沉淀法是较常用的方法，它通常是以尿素的缓慢水解来生成沉淀剂氨水，从而克服了由外部向溶液中加沉淀剂而造成沉淀剂而造成沉淀剂不均匀，结果沉淀不能再整个溶液中均匀出现

8、的缺点。3．燃烧法是以金属的硝酸盐和有机物为原料，利用硝酸和有机物之间的氧化还原反应热来合成金属氧化物的新方法。与溶胶凝胶法相比，燃烧法具有放映时间短、所用试剂便宜、设备操作简单等优点。但溶胶凝胶法和燃烧法都涉及到有机物的燃烧，会产生大量污染环境的气体4．水热法是在特制的的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液或者有机溶剂作为反应体系，通过对反应体系加热至临界温度（或接近临界温度），在反应体系中产生高压的环境而进行无机合成与材料制备的一种有效方法。水热与溶剂热合成化学具有如下的特点：由