一维氧化锌纳米材料的制备调控及微尺度性能研究

发布时间：2017-12-11 08:04

  本文关键词：一维氧化锌纳米材料的制备调控及微尺度性能研究

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【摘要】：众所周知,研究宏观材料的性质时,由于其较大的尺寸,被研究的材料可以看作是大晶体,相应的模型可以得到极大的简化,然而当材料尺寸逐渐减小,到了微米甚至纳米尺寸,那么对于内部原子结构而言,其晶体材料将不再是大晶体,因此,之前的理论模型需要被重新修正。同时,由于纳米材料具有极大的比表面积,处于表面的原子比例急剧增加,相应的其物理化学性质也会发生变化。所以纳米材料的物理化学性质需要重新测量。目前,对于如何利用单根纳米结构制备器件,仍然需要人们进行不断的探索,其中很重要的工作就是表征单根纳米结构的性能。因此,对于材料的微观尺度性能的测量变得意义非凡。纳米材料种类繁多,以一维氧化锌(ZnO)纳米材料为代表,由于在力学、电学等性能上具有显著特点,迄今为止在纳米机电系统,传感器、能源等领域已经显示出良好的应用前景。目前,在一维ZnO纳米材料研究领域,关注的重点包括一维ZnO纳米材料的可控及高产率制备,结构与性能调控、纳米材料的性能测试与评价等方面。本文围绕一维ZnO纳米材料的制备调控以及微尺度性能方面展开研究,主要内容以及具体结果总结如下:1、采用热蒸发物理气相沉积(PVD)的方法成功制备出均匀的ZnO纳米线,长度为数十微米,直径为200~300 nm;通过向ZnO粉末中混合锑粉末(Sb)和碳酸锂(Li2CO3),质量比为5:1:2.5,在高温区成功合成了ZnO纳米线螺旋,在低温区成功合成ZnO纳米线圈,并分析了其形成机理;以质量比为5:1:1,分别混合了ZnO、铟粉末(In)和氧化镓(Ga2O3),成功制备出之字型ZnO纳米线。2、采用弯曲法对单根ZnO纳米线进行了力学性能的测量。以长度为22.6μm,直径为220nm的ZnO纳米线为例,通过纳米四探针测量系统施加横向作用力,结合FMA力学分析软件测得力与位移的关系曲线,得出K=8.62N/m,根据悬臂梁模型的理论公式计算,算出其弹性模量为288.6GPa。通过对其他单根ZnO纳米线的测量,得出平均弹性模量为289.52GPa。以长度为12.3μm,直径为260nm的ZnO纳米线为例,施加纵向作用力,测得弹性系数为K=13.28 N/m,根据双端固支梁模型的理论公式,计算出弹性模量为337GPa。通过对其他单根ZnO纳米线的测量,得出平均弹性模量324GPa。实验结果表明单根ZnO纳米线的弹性模量比块体材料要大。这是由于位于晶体表面的原子其状态与内部原子差异显著,而随着纳米材料尺寸减小,表面原子比例逐渐增加,其对弹性模量的影响亦逐渐增加,从而导致纳米材料杨氏模量远大于块体材料。3、将纳米四探针系统与半导体测量系统相连接,引入绿光和紫光照射样品,其宏观状态下的电阻率为10-4Ω·cm,实验表明,光照可以有效增加ZnO纳米线的导电性,且紫光增强效果最佳;通过酒精分散样品,将少量样品滴在石英片上,采用机械手臂分离出单根ZnO纳米线。将两个机械手臂分别搭在线的两端,测得其电导率大约在15.2S·cm-1,远低于块体材料,究其原因则可以归结为纳米材料的边界散射效应。采用同样的方法,测量了之字型ZnO纳米线的电阻,其值为1.54×106Ω,远高于相同尺寸的普通纳米线的电阻3.89×105Ω,其原因为之字型ZnO纳米线生长方向不断改变,形成的晶面边界对电子有阻碍作用,影响导电性。本实验所提出的测量方法,大大降低了对样品的要求以及简化了样品制备的繁琐过程,并且通过专有的分析软件分析数据并得出结论,增强了实验结果的准确性。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ132.41;TB383.1

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本文编号：1277687