有周期性納米貼片的氧化鋅纖維結(jié)構(gòu)

周鳴宇

(海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)部，山東 煙臺 264001)

本文利用化學(xué)氣相沉積方法合成了一種新型的ZnO一維納米材料，通過X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀和光致發(fā)光譜等對其形貌和結(jié)構(gòu)進行了表征， 并分析和討論了有周期性納米貼片排布的ZnO納米纖維結(jié)構(gòu)。

1 試驗方法和過程

硅基片在丙酮溶液中進行超聲清洗，并用酒精沖洗干凈，其上濺射一層約2 mm厚的金膜。在Al2O3瓷舟一端放置2 g的ZnO粉(純度>99.99%)、Sb粉(純度>99%),其質(zhì)量比按ZnO∶Sb=10∶1的比例混合，硅基片沉積面朝上均勻排列在瓷舟上，然后把瓷舟放于管式爐中的剛玉管中部。先把管式爐內(nèi)抽真空至6.0 Pa，以排除管中的氧氣，并保持壓強在300 Pa。調(diào)節(jié)流量計，向管中通75～100 cm3/s的N2，然后將管式爐升溫，以10°/min的升溫速度加熱管式爐至1 300 ℃，并保溫10 min。系統(tǒng)經(jīng)過約6 h自然冷卻到室溫。對收集沉積在管內(nèi)壁的白色輕質(zhì)絨狀產(chǎn)物進行表征和測試。用掃描電子顯微鏡觀察產(chǎn)物的形貌,用粉末X射線衍射儀和X射線能譜儀分析其晶體結(jié)構(gòu)和晶相組成，沉積物的室溫光致發(fā)光，以He-Cd激光器為激發(fā)光源進行測試。

2 試驗結(jié)果與討論

所得產(chǎn)物的二次電子像如圖1所示。圖1顯示的是合成的ZnO樣品的低分辨SEM圖像。產(chǎn)物的形貌有納米螺旋和有周期性連接點的ZnO纖維結(jié)構(gòu)，其中有周期性連接點的纖維結(jié)構(gòu)占到產(chǎn)物總量的90%以上。從SEM高分辨圖像(見圖2)可以清楚地看到，其中1根有周期性連接點的ZnO纖維結(jié)構(gòu)的形貌，纖維狀的結(jié)構(gòu)是由一系列均勻排布的六角狀納米片連接而成。接合成納米纖維的納米貼片大小也比較均勻，ZnO纖維結(jié)構(gòu)寬度為200～300 nm，厚度非常薄，只有30～50 nm。

圖1 樣品掃描電鏡圖像 圖2 單根樣品高分辨掃描電鏡圖像

試驗樣品的XRD圖譜如圖3所示。結(jié)合ZnO的標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS card No 36-1451)，發(fā)現(xiàn)樣品是纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO，其晶胞參數(shù)為a=0.324 9 nm，b=0.520 6 nm。

圖3 樣品的XRD圖譜

有周期性連接點的ZnO纖維結(jié)構(gòu)在主干位置和接合的六角狀納米片位置的EDX圖譜如圖4所示。EDX譜來自暗場TEM像中的標(biāo)記點。ZnO纖維結(jié)構(gòu)的EDX譜只含Zn和O等2種元素；少量的Si元素來自襯底，說明有周期性連接點的ZnO纖維結(jié)構(gòu)都是由ZnO晶體所組成。

圖4 有周期性連接點的ZnO纖維結(jié)構(gòu)的不同位置的EDX譜

為了研究有周期性連接點的ZnO纖維結(jié)構(gòu)的發(fā)光，選擇形貌均勻的樣品，以He—Cd激光器325 nm為光源，測試了有周期性連接點的ZnO纖維結(jié)構(gòu)的室溫發(fā)光。發(fā)光光譜如圖5所示。

圖5 ZnO納米結(jié)構(gòu)的室溫光致發(fā)光譜

光譜中出現(xiàn)2個發(fā)光帶，分別是對應(yīng)紫外的帶邊發(fā)射峰和中心位于525 nm的綠光區(qū)發(fā)射帶。關(guān)于可見發(fā)光的理論模型已經(jīng)提出很多，其中van Dijken等[11]認(rèn)為在可見光發(fā)射過程中納米晶表面態(tài)或缺陷起了重要作用。他提出可見發(fā)光的輻射過程經(jīng)過光生空穴被納米晶表面態(tài)俘獲；然后隧穿回到納米晶，和電子復(fù)合形成氧空位缺陷中心(Vo**)，每個Vo**中擁有2個空穴；最后淺陷阱的電子和深陷阱(Vo**)的空穴復(fù)合，輻出綠色的可見發(fā)光。根據(jù)van Dijken提出的可見發(fā)光模型，綠色發(fā)射帶一般被認(rèn)為與ZnO中氧空位或表面態(tài)等深能級有關(guān)[12]。有周期性連接點的ZnO纖維結(jié)構(gòu)的綠色發(fā)光區(qū)比紫外發(fā)光區(qū)弱得多，說明了生長的ZnO結(jié)構(gòu)的表面缺陷態(tài)很少，同時也間接地證明了合成的ZnO纖維結(jié)構(gòu)晶體質(zhì)量較好[13]。紫外發(fā)射源于自由激子的復(fù)合發(fā)光，從圖5中可以看到，在385 nm附近樣品出現(xiàn)了很強的紫外發(fā)光峰。

3 結(jié)語

本文主要介紹了用蒸發(fā)ZnO粉末的方法合成有周期性連接點的ZnO纖維結(jié)構(gòu)，并對其形貌和性質(zhì)進行了表征和研究。通過分析可知，所合成的ZnO納米螺旋是單晶ZnO纖鋅礦結(jié)構(gòu)，它們的生長都遵循Sb誘導(dǎo)的VS機制。對ZnO結(jié)構(gòu)的室溫發(fā)光圖進行了分析。這種新穎結(jié)構(gòu)的合成為在極性面上組裝復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)提供了可能性。均勻排列的納米島陳列可以在傳感器等微機電系統(tǒng)中作組件。

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