探析氧化鋅的液相合成及表征

莫惠宇

摘要：本文通過水熱/溶劑熱法和室溫液相法合成得到了啞鈴狀的ZnO。以蒸餾水作溶劑，以Zn（OH）42-為前驅(qū)體，通過改變沉淀劑和溶劑可獲得啞鈴狀納米ZnO結(jié)構(gòu)，并探討了產(chǎn)物的形成機制。影響納米ZnO產(chǎn)物形貌的因素主要有堿源、溶劑和反應(yīng)物濃度，甲醇和四氫呋喃作為極性比水小得多的溶劑提供了更溫和的環(huán)境生成啞鈴狀的納米顆粒。

關(guān)鍵詞：化學(xué)教學(xué)；納米氧化鋅；水熱/溶劑熱法；室溫液相法

中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1672-1578（2017）03-0127-01

1.氧化鋅的制備

1.1 氧化鋅材料。ZnO是一種重要的接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料。室溫下能帶帶隙為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV（GaN：25meV，ZnSe：22meV）[1.2]，能有效工作于室溫（26meV）及更高溫度，且光增益系數(shù)（300cm-1）高于GaN（100cm-1）[3]，這使ZnO迅速成為繼GaN后短波半導(dǎo)體激光器件材料研究新的國際熱點。ZnO是一種重要的接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料。室溫下能帶帶隙為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV（GaN：25meV，ZnSe：22meV）[1.2]，能有效工作于室溫（26meV）及更高溫度，且光增益系數(shù)（300cm-1）高于GaN（100cm-1）[3]，這使ZnO迅速成為繼GaN后短波半導(dǎo)體激光器件材料研究新的國際熱點。

1.2 用水熱法制備啞鈴狀納米ZnO。稱取0。548gZn（CH3COO）2.2H2O（2.5mmol）溶解于25mL蒸餾水中，稱取3.60g肌醇（10mmol）溶解于20mL蒸餾水中，室溫下磁力攪拌將兩溶液混合。用5mL量筒量取1.0mL氨水，加入蒸餾水稀釋到5mL，緩慢的滴加到配置好的Zn一肌醇溶液當(dāng)中。氨水加完畢后繼續(xù)攪拌10分鐘。取25mL溶液轉(zhuǎn)移到30mL不銹鋼反應(yīng)釜當(dāng)中，密閉封緊，置于預(yù)先加熱的120℃烘箱內(nèi)恒溫靜置12h。反應(yīng)釜自然冷卻到室溫，將反應(yīng)釜內(nèi)的液體與沉淀物轉(zhuǎn)移到離心管，離心分離洗滌沉淀，蒸餾水洗滌兩次，產(chǎn)物60℃干燥6h。

2.產(chǎn)物表征

產(chǎn)物的粉末X衍射物相分析采用DX-50型X射線衍射儀進(jìn)行測定，X射線源為Cu-kα，掃描速度為0。02°/s，掃描范圍為10-70°，儀器正常工作的電壓和電流分別為40kV和30mA。產(chǎn)物的形貌表征采用透射電鏡和掃描電鏡（SEM，HitachiS-3400N）進(jìn)行，儀器正常工作的電壓為30kV。

3.實驗結(jié)果分析

3.1 產(chǎn)物形貌分析

用S-3400N型掃描電鏡測定產(chǎn)物的形貌，得到其SEM圖為

從圖中可以看出，納米ZnO呈啞鈴狀，由孿生六方短棒組成，兩短棒尺寸均一，對稱性好，端面規(guī)整，分散性好，分布均勻，短棒的長度約為1.5μm，直徑約為700nm。

3.2 啞鈴狀納米ZnO的可能生長機制。此實驗用氨水代替氫氧化鈉作堿性物質(zhì)，加氨水到醋酸鋅溶液后，氨水水解析出OH-離子，OH-與乙酸鋅發(fā)生反應(yīng)生成了Zn（OH）42-生長基元，氨水除了充當(dāng)堿性物質(zhì)外，還是緩沖液，可以調(diào)節(jié)溶液的PH值。在肌醇的作用下，Zn（OH）42-發(fā)生分解快速成核、一維生長得到ZnO納米棒結(jié)構(gòu)。其方程式表示為

對于六方相的極性晶體ZnO來說，其（001）面為正極性面，正極面富Zn2+，（001）面為負(fù)極性面，負(fù)極面富02-，由于各向異性的生長習(xí)性，沿（001）方向生長所需的能量最小，導(dǎo)致沿c軸方向的生長更快，容易長成一維結(jié)構(gòu)的ZnO棒結(jié)構(gòu)。本實驗以肌醇作結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，肌醇又稱環(huán)己六醇，其分子式是（CHOH）6，肌醇和氨水共同作用使ZnO晶核的表面能降低，促進(jìn)了生長基元Zn（OH）42-在正極性（001）面上聚集，從而推動ZnO晶體沿著c軸方向快速生長，經(jīng)熟化后形成啞鈴狀的ZnO納米晶粒。

通過室溫液相法和溶劑熱/水熱法合成得到了納米ZnO。通過改變?nèi)軇┖统恋韯┮约胺磻?yīng)時間探索了影響其生成的可能因素，并使用SEM表征方法對產(chǎn)物進(jìn)行了檢測，并對結(jié)果進(jìn)行了分析：用肌醇作結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，氨水作沉淀劑可得到啞鈴狀的ZnO，并探討了啞鈴狀的ZnO可能的形成機制，探討了溶劑對ZnO形狀的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李育潔，張海明，胡國鋒等.ZnO納米棒的低溫制備及表征.半導(dǎo)體技術(shù)專欄。2009，34（12）：1170-1172

[2] 范學(xué)運，王艷香，余熙.ZnO納米片生長過程的研究.硅酸鹽通報，2009，28（2）：374-378

[3] 江浩，胡俊青，顧鋒等.花狀ZnO超細(xì)結(jié)構(gòu)的水熱自組裝.無極材料學(xué)報，2009，24（1）：69-72