通過水熱法合成了不同形貌的氧化鋅（ZnO）氣敏傳感材料,利用X射線衍射儀和熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對其進行了結(jié)構(gòu)表征和分析,研究了不同的水熱因素對其形貌的影響。利用Agilent B2900A quick I/V測試軟件測試了其對乙醇氣體的敏感性。實驗結(jié)果表明:前驅(qū)體濃度、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度會對ZnO納米棒的生長造成顯著影響。在前驅(qū)體濃度為20 mmol/L、反應(yīng)時間為8 h、反應(yīng)溫度為95℃的條件下進行水熱反應(yīng)能得到較高質(zhì)量和良好長徑比的納米線。通過氣敏性能測試發(fā)現(xiàn)該條件下制備的樣品在使用叉指電極時響應(yīng)度為79%,響應(yīng)時間和恢復(fù)時間均為4 s,表明該條件下制備出的氣敏傳感材料具有良好的響應(yīng)度、響應(yīng)時間和恢復(fù)時間。 

【文章來源】：微納電子技術(shù). 2020,57(03)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

不同水熱條件下合成的ZnO納米線的XRD衍射圖譜

前驅(qū)體濃度是控制合成ZnO納米棒生長過程的一個重要參數(shù)，它是化學(xué)反應(yīng)和晶體生長的重要條件。在確定乙酸鋅和六次甲基四胺的濃度配比為1∶1的情況下，通過改變兩種原料的濃度，研究乙酸鋅濃度對ZnO納米材料形貌的影響規(guī)律。圖1為在反應(yīng)時間為5 h、反應(yīng)溫度為95℃的條件下，乙酸鋅濃度分別為6.25、15、25和30 mmol/L（表1中A組實驗條件）時的ZnO形貌SEM圖。如圖1(a）、（c）、（e）和（g）的SEM截面圖所示，隨著乙酸鋅濃度增加，在籽晶層上生長的一層薄膜的厚度由1μm不斷增加至4.8μm，然而繼續(xù)增加乙酸鋅濃度時，薄膜厚度反而迅速降低為1.9μm，這是由于乙酸鋅濃度過高會使晶粒成核速度比生長速度快，出現(xiàn)團聚現(xiàn)象影響薄膜生長。在此薄膜上分散著不同形貌的ZnO，如圖1(b）的SEM俯視圖所示，在乙酸鋅濃度較低時，生長的ZnO形態(tài)不一，有鏡面對稱的納米棒花簇，長度約8μm，直徑達3μm；如圖1(d）的SEM俯視圖所示，隨著乙酸鋅濃度的增加，ZnO形貌逐漸一致生長為納米棒狀，一部分納米棒呈現(xiàn)中端聚集在一起兩端對稱的花簇形貌，如沙漏狀，直徑不一，長度約為11μm，平均直徑為4μm，說明隨著乙酸鋅濃度的增加，ZnO納米棒的長度和直徑都在增加；如圖1(f）的SEM俯視圖所示，當進一步增加乙酸鋅濃度時，花簇狀的ZnO納米棒呈現(xiàn)中心放射的海膽狀，長度約為12μm，直徑較均勻為1.4μm，其長徑比進一步增加；如圖1(h）所示，繼續(xù)增加乙酸鋅濃度至30 mmol/L時，納米棒花簇開始沿徑向生長，橫向長度減小，中心直徑增加至2μm，長徑比反而降低。這主要是因為在乙酸鋅濃度逐漸增加的過程中ZnO晶種層和溶液離子為相同物質(zhì)，初期ZnO可在基底上迅速成核，而當乙酸鋅濃度過高時會阻礙成核生長。分析其生長規(guī)律及長徑比變化可知，ZnO納米棒的形貌與乙酸鋅濃度有關(guān)，乙酸鋅濃度的高低對ZnO納米棒的生長過程會造成顯著影響。2.2 反應(yīng)時間對ZnO納米棒形貌的影響

如表1中B組實驗條件，當乙酸鋅濃度和反應(yīng)溫度分別為20 mmol/L和95℃不變，反應(yīng)時間分別為5、6、8和10 h時，合成的ZnO納米棒的SEM圖分別對應(yīng)圖2(a）、（b）、（c）和（d）。從圖中可知，反應(yīng)時間對ZnO納米棒的形狀和長徑比有很大的影響。當反應(yīng)時間為5 h時，納米棒為中端聚集的尺寸較短的沙漏狀，長度約為9μm，納米棒頂端形狀不規(guī)則，如圖2(a）所示。當反應(yīng)時間增加到6 h時，ZnO納米棒轉(zhuǎn)變?yōu)樾螤钜?guī)則的納米花柱，長度增加到11μm，直徑統(tǒng)一為1μm，并且納米棒頂端變?yōu)閆nO典型的六棱柱形貌，如圖2(b）所示。進一步增加反應(yīng)時間至8 h,ZnO納米棒變?yōu)橐詥胃抢庵鶠橹行�、不�?guī)則納米棒不斷堆疊在外的沙漏狀，長度也進一步增加為17μm，中心六角棱柱的直徑達到4μm，如圖2(c）所示。繼續(xù)增加反應(yīng)時間為10 h時，ZnO的形貌由團簇層疊的狀態(tài)變?yōu)檩^分散雜亂的類單根納米棒狀態(tài)，長度增至36μm，最短的也在10μm以上，從放大圖中還可觀察到納米棒直徑為2μm，長徑比增加，如圖2(d）所示。因此，隨反應(yīng)時間的增長，ZnO納米棒的長度不斷增加，直徑先增加后減小，總體的長徑比值變大。分析其生長原理，在反應(yīng)時間較短時，ZnO晶體生長不完全，表現(xiàn)為不規(guī)則的納米棒團簇狀態(tài)，且頂端未成型。而當反應(yīng)時間增加時，ZnO納米棒沿長度方向優(yōu)勢生長，長徑比增加，且頂端長成典型的六棱柱狀，但是當反應(yīng)時間增加至10 h后，納米棒不再聚集生長，變?yōu)閱胃s亂的納米柱，長徑比進一步增加。主要原因是時間過長Zn2+濃度的降低會使納米棒生長變得緩慢且雜亂。結(jié)果表明：反應(yīng)時間對ZnO納米棒的形貌會產(chǎn)生顯著的影響。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]ZnO納微分級結(jié)構(gòu)的形貌調(diào)控及其氣敏性能[J]. 李雪偉,張銘,李鵬飛,崔艷雷,王如志.  微納電子技術(shù). 2019(12)

碩士論文
[1]ZnO納米棒晶薄膜的溶液化學(xué)法制備與性能研究[D]. 趙娟.天津大學(xué) 2005



本文編號：3498410