微波輔助液相合成花狀氧化鋅微晶

周慧芬，侯清麟，衣冉，劉小鶴

(1. 湖南工業(yè)大學(xué) 包裝與材料工程學(xué)院，湖南 株洲，412008；2. 中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

微波輔助液相合成花狀氧化鋅微晶

周慧芬1,2，侯清麟1，衣冉2，劉小鶴2

(1. 湖南工業(yè)大學(xué) 包裝與材料工程學(xué)院，湖南 株洲，412008；2. 中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

以ZnCl2和NH3·H2O為原料，采用微波輔助液相合成方法制備花狀ZnO微晶。利用X線衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、高分辨電子顯微鏡和熒光分光光度計(jì)對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征與分析。研究不同試驗(yàn)條件(NH3·H2O的體積、反應(yīng)功率和反應(yīng)時(shí)間)對(duì)產(chǎn)物形貌與尺寸的影響，并討論花狀ZnO微晶可能的形成機(jī)理。研究結(jié)果表明：在ZnCl2溶液中滴加1.5 mL NH3·H2O，在微波功率為240 W加熱20 min的條件下，可以合成花狀ZnO微晶。ZnO微晶的花狀結(jié)構(gòu)可能是通過(guò)成核?晶體生長(zhǎng)2步形成?；頩nO微晶具有獨(dú)特的熒光性能。

ZnO；花狀；微波合成；熒光性能

氧化鋅(ZnO)作為一種重要的半導(dǎo)體材料和壓電材料，在室溫下禁帶寬度約為3.37 eV，束縛激子能高達(dá)60 meV，主要應(yīng)用于光電器件和傳感器等[1?2]。通過(guò)各種方法如水熱法[3]，化學(xué)氣相沉積法[4]，模板輔助生長(zhǎng)[5]，氣相反應(yīng)合成法[6]等，合成了多種形貌與尺度的ZnO，如納米線[7]、納米釘[8]、納米片[9]、納米須[10]、中空微球[11]、納米梳[12]等。微波合成法出現(xiàn)在 20世紀(jì)80年代后期[13?14]。眾所周知，微波輻射是一種具有清潔、價(jià)格便宜等特點(diǎn)的熱能[15]。與水熱合成相比，由于微波具有較強(qiáng)的穿透能力，使得物體表面和中心能夠同時(shí)被加熱，受熱均勻，升溫速度快，可大大縮短合成時(shí)間[16]。利用微波輔助合成制得了多種納米材料[17?19]，包括不同形貌的 ZnO，如稻草束狀、球狀等[20?21]。Yi 等[22?23]通過(guò)水熱方法合成了微米花狀ZnO，以及采用化學(xué)氣相沉積方法合成了玫瑰花狀ZnO。在此，本文作者研究一種微波液相合成法，以氯化鋅為前驅(qū)體，氨水為堿源和螯合劑，通過(guò)微波加熱，制得了純度高、粒徑分布均勻的花狀ZnO微晶。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

試劑為：氯化鋅(ZnCl2，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))；氨水(NH3·H2O，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)有限公司生產(chǎn))，去離子水。

儀器為：KD23B?DA 美的微波爐(輸出功率 800 W，微波工作頻率2 450 MHz)；采用德國(guó)Bruker型X線衍射儀(λ=0.154 18 nm，V=40 kV，I=40 mA)分析樣品的物相結(jié)構(gòu)；分別使用美國(guó)FEI公司XL30 S?FEG型掃描電子顯微鏡(V=20 kV)和日本JEOL公司制造的JEM?200CX 型透射電子顯微鏡(V=160 kV)和日本JEOL JEM?2010F型高分辨電子顯微鏡對(duì)樣品的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。使用日本Hitachi F2500熒光分光光度計(jì)對(duì)固體樣品進(jìn)行光學(xué)分析，激發(fā)波長(zhǎng)為325 nm。

1.2 花狀氧化鋅的制備

取1 mmol ZnCl2溶解在40 mL去離子水中，置于磁力攪拌器上攪拌至完全溶解，同時(shí)緩慢滴加1.5 mL NH3·H2O。繼續(xù)攪拌3 min后，調(diào)節(jié)微波功率至240 W，加熱20 min。自然冷卻，將所得懸濁液離心分離，依次用無(wú)水乙醇、蒸餾水各洗滌3次。置于溫度為60 ℃的真空干燥箱中干燥6 h，得到氧化鋅白色粉末。

2 結(jié)果與討論

2.1 花狀ZnO微晶的表征

圖1所示為花狀ZnO微晶的XRD圖譜。由圖1可以看出所得產(chǎn)物為六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，圖中的衍射峰均與 ZnO 的標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JCPDS No.36-1451)相吻合，沒(méi)有雜峰，且衍射峰比較尖銳，說(shuō)明產(chǎn)物為結(jié)晶度較高的純相ZnO晶體。

圖1 花狀ZnO微晶的XRD譜Fig.1 XRD pattern of flower-like ZnO microcrystals

圖2(a)所示為花狀ZnO微晶的低倍SEM照片，可以觀察到大量花狀ZnO微晶，產(chǎn)物粒徑分布均勻，平均粒徑約為4 μm。其中能譜分析(EDS)結(jié)果表明：花狀微晶是由Zn與O 2種元素組成，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)，與XRD結(jié)果相吻合。圖2(b)所示為1個(gè)典型的花狀ZnO微晶結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)花狀結(jié)構(gòu)由納米棒組裝而成，且呈放射性生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。此外，作為組裝單元的納米棒其直徑由微結(jié)構(gòu)中心至外圍逐漸減小，最終形成尖頂形態(tài)。圖2(c)所示為花狀ZnO微晶的TEM照片，可以看出產(chǎn)物為花狀結(jié)構(gòu)，微晶的粒徑約為4 μm，與SEM照片吻合。圖2(d)所示為所制備花狀ZnO微晶的高分辨透射電鏡(HRTEM)照片，圖中晶格條紋像清晰可辨，相鄰條紋間距約為0.52 nm，與ZnO晶體(001)晶面的間距一致，表明單個(gè)納米棒具有單晶結(jié)構(gòu)。圖2(d)中插圖為快速傅里葉轉(zhuǎn)換結(jié)果，展現(xiàn)了完整的對(duì)稱斑點(diǎn)。

2.2 影響因素

2.2.1 NH3·H2O 體積的影響

在其他條件不變的情況下，改變 NH3·H2O 的體積，產(chǎn)物的SEM照片見(jiàn)圖3。

圖3(a)所示為NH3·H2O為1 mL時(shí)的SEM照片，產(chǎn)物為絮狀顆粒，顆粒之間團(tuán)聚嚴(yán)重；當(dāng)NH3·H2O增加到3 mL時(shí)，產(chǎn)物主要是粒徑為3～4 μm的花狀ZnO微晶，花瓣較圖2中的多；同時(shí)出現(xiàn)少量由ZnO納米棒密集排列而成的三角狀類齒輪結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3(b)。

2.2.2 反應(yīng)功率的影響

圖4(a)和4(b)所示分別為微波爐反應(yīng)功率為80 W和 400 W，其他條件均未改變時(shí)，所得產(chǎn)物的 SEM照片。

圖2 微波反應(yīng)功率為240 W，反應(yīng)時(shí)間為20 min時(shí)花狀ZnO微晶照片F(xiàn)ig.2 Images of flower-like ZnO microcrystals prepared using power of 240 W for 20 min

圖3 NH3·H2O的體積不同時(shí)得到的花狀ZnO微晶的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images of ZnO microcrystals prepared with different volumes of NH3·H2O

從圖4可見(jiàn)：當(dāng)微波爐反應(yīng)功率為80 W時(shí)，產(chǎn)物仍由花狀ZnO微晶組成，粒徑為3～5 μm。雖然形貌仍為花狀但形貌并不均一，且部分產(chǎn)物花瓣出現(xiàn)扁平化，體積和面積都較圖2中的大，這可能是微波功率減小導(dǎo)致體系的反應(yīng)能量降低所致。當(dāng)微波爐反應(yīng)功率升高至400 W時(shí)，產(chǎn)物團(tuán)聚嚴(yán)重，在團(tuán)聚物表面發(fā)現(xiàn)了大量微小的棒狀結(jié)構(gòu)，這與本文作者以前發(fā)現(xiàn)的水熱條件下溫度較低時(shí)的情況一致[22]。可能是因?yàn)殡S著微波功率加大，形核數(shù)量增加，導(dǎo)致單個(gè)晶核并未完全生長(zhǎng)。

2.2.3 反應(yīng)時(shí)間的影響

圖 5(a)所示為其他條件不變，將反應(yīng)時(shí)間縮短到10 min時(shí)產(chǎn)物的SEM照片。產(chǎn)物主要由大量類似圖4(b)所示團(tuán)聚物構(gòu)成，同時(shí)也出現(xiàn)了少量微米花，微米花的粒徑為2 μm左右。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間增加到40 min時(shí)，產(chǎn)物主要為絮狀，見(jiàn)圖5(b)。從圖5(b)可見(jiàn)：反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物形貌影響顯著，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過(guò)短時(shí)，產(chǎn)物未能全部生長(zhǎng)花狀ZnO微晶；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)物嚴(yán)重團(tuán)聚。

2.3 形成機(jī)理

與水熱法相比，微波輔助液相合成方法利用微波對(duì)水的介電作用進(jìn)行能量傳遞，具有加熱速度快、反應(yīng)靈敏、受熱體系均勻等特點(diǎn)。在對(duì)Zn2+的前驅(qū)體溶液進(jìn)行微波輻照時(shí)，反應(yīng)物獲得能量速率較快，可以在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熱力學(xué)結(jié)晶的要求，大大提高溶液中ZnO晶核的生長(zhǎng)速率，進(jìn)而快速地聚集生長(zhǎng)，有利于ZnO微晶的生成。

在整個(gè)反應(yīng)體系中，ZnO微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理可用兩步法解釋。

第1步：成核階段。NH3·H2O分解為NH3和H2O或者水解為 NH陽(yáng)離子和 OH?陰離子；之后，OH?與 Zn2+反應(yīng)生成[Zn(NH3)4](OH)42?絡(luò)合物，隨著溫度升高[Zn(NH3)4](OH)42?發(fā)生分解并形核得到 ZnO 晶核。

圖4 不同微波反應(yīng)功率下的花狀ZnO微晶的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of ZnO microcrystals prepared with different powers reaction time

圖5 不同反應(yīng)時(shí)間條件下的ZnO微晶的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM images of ZnO samples for different reaction time

第2步：晶體生長(zhǎng)階段。產(chǎn)生的ZnO沿(001)面生長(zhǎng)，形成氧化鋅納米棒，同時(shí)氧化鋅納米棒在核上定向排列形成花狀結(jié)構(gòu)。這是由于(001)面是ZnO各個(gè)晶面中Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘最高的晶面[24]，容易俘獲沉積原子；同時(shí)，體系產(chǎn)生大量的自由能使體系不穩(wěn)定[25]，為了減少表面的自由能，納米棒將在底部結(jié)合，逐漸形成花狀結(jié)構(gòu)。反應(yīng)過(guò)程可用方程式描述如下：

2.4 熒光光譜

圖6所示為在波長(zhǎng)為325 nm的激發(fā)光激發(fā)下，微波反應(yīng)20 min時(shí)花狀ZnO微晶的PL譜，可見(jiàn)光區(qū)有3個(gè)發(fā)射峰。紫外區(qū)398 nm處出現(xiàn)的強(qiáng)發(fā)射峰可歸結(jié)為激子直接復(fù)合發(fā)光，為ZnO的本征發(fā)射峰，與塊狀ZnO[26]的 PL譜相比出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，這可能是產(chǎn)物在一定程度上發(fā)生團(tuán)聚所致。此外，在藍(lán)光區(qū)域451～469 nm處出現(xiàn)了多個(gè)發(fā)射峰，以537 nm為中心525～550 nm處出現(xiàn)了較寬的黃綠光發(fā)射帶，可能是樣品存在一定的本征缺陷造成的。

圖6 在室溫下ZnO樣品的PL光譜圖Fig.6 Photoluminescence spectrum of ZnO samples

3 結(jié)論

(1) 采用微波輔助液相合成方法制備了大量由一維納米棒自組裝而成的花狀 ZnO微晶。通過(guò)改變NH3·H2O體積、反應(yīng)功率和反應(yīng)時(shí)間，最終產(chǎn)物形貌和尺寸都有明顯的變化。在ZnCl2溶液中滴加1.5 mL NH3·H2O，在微波功率為240 W加熱20 min后可以獲得花狀ZnO微晶?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為最終的花狀產(chǎn)物可能是通過(guò)成核?晶體生長(zhǎng)2步生成?；頩nO微晶具有特殊的發(fā)光性能。

(2) 該實(shí)驗(yàn)工藝簡(jiǎn)單，操作方便，不需要添加表面活性劑，所得產(chǎn)品純度高，形貌均一，為大規(guī)模合成花狀ZnO微晶提供了一種新的方法。

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(編輯 楊幼平)

Microwave-assisted solution-based synthesis of flower-like ZnO microcrystals

ZHOU Hui-fen1,2, HOU Qing-lin1, YI Ran2, LIU Xiao-he2

(1. College of Printing and Materials Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, China;2. School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Flower-like ZnO microcrystals were prepared using ZnCl2and NH3·H2O as materials by a facile microwave-assisted solution-based route. Phase structure, morphology and properties of products were investigated in detail by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) and photoluminescence (PL) spectra. The influence of reaction conditions such as volume of NH3·H2O, microwave power and reaction time on morphologies and sizes of final products was studied. The possible nucleation?crystal growth formation mechanism of flower-like ZnO microcrystals was proposed based on the experimental results. The results show that flower-like ZnO microcrystals are obtained extensively with 1.5 mL NH3·H2O and microwave power of 240 W for 20 min simultaneously. Flower-like ZnO microcrystals possess unique fluorescent properties.

ZnO; flower-like; microwave synthesis; luminescence

O611.62

A

1672?7207(2011)01?0067?06

2009?10?25；

2010?01?12

中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)前瞻布局研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2010ZQQD008)

劉小鶴(1972?)，男，河南正陽(yáng)人，副教授，從事納米材料制備與性能研究；電話：0731-88830543；E-mail: liuxh@mail.csu.edu.cn