【摘要】：近年來,由于稀磁半導體納米材料能夠同時利用電子的電荷和自旋特性,在自旋場效應晶體管、邏輯器件、自旋極化發(fā)光二極管、磁感應器、光隔離器、半導體激光器集成電路和量子計算機等領域有著廣闊的應用前景。ZnS作為一種典型的II-VI族直接帶隙寬禁帶半導體材料,室溫下禁帶寬度為3.66 eV,自由激子結合能為3.8 meV,具有良好的鐵磁、壓電、光電和光敏等特性。通過控制制備工藝、改變摻雜元素種類以及摻雜量可以有效調(diào)整ZnS的晶體結構和能帶結構,進而達到有效控制ZnS的光學、磁學和光催化性能。本論文采用水熱法成功制備出一維ZnS納米棒樣品,并系統(tǒng)研究了過渡金屬Mn和Ni離子摻雜對樣品的微觀結構、形貌、光吸收特性、磁學性能及光催化活性的影響。主要研究內(nèi)容及成果如下:本論文首先通過系統(tǒng)地改變水熱反應的工藝參數(shù)(反應物質的摩爾比、反應溶劑體積比、反應溫度和反應時間)獲得最優(yōu)化工作參數(shù)組合,實現(xiàn)對產(chǎn)物的晶型、晶粒尺寸和形貌的有效控制。利用XRD、FESEM和UV-vis等手段對所制備樣品的微觀結構、形貌和帶隙結構等進行了表征,分析不同的工藝參數(shù)對其形貌和結構的影響。實驗結果表明,反應物質的摩爾比、反應溶劑的體積比、溫度和時間影響因素的變化,對所制的ZnS樣品晶體結構并沒有影響,所制的樣品都為纖鋅礦結構的ZnS,卻對其形貌有明顯的影響。均勻分布,結晶良好的納米棒狀ZnS表現(xiàn)出最好的光吸收特性。同時本論文主要以乙二胺為修飾劑,采用水熱法合成了不同摻雜比例的Zn_(1-x)Ni_xS、Zn_(1-x)Mn_xS(x=0.01,0.02,0.03,0.05和0.07)稀磁半導體材料,通過X射線衍射儀(XRD)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、X射線能量色散譜儀(EDS)、透射電子顯微鏡(TEM)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、紫外可見漫反射光譜(UV-VIS)、光致發(fā)光(PL)和振動樣品磁強計(VSM)等方法對樣品的微觀結構、形貌和光學及磁性能進行測量表征,同時使用RhB水溶液作為陽光照射下的模型污染物,研究了Zn_(1-x)Ni_xS和Zn_(1-x)Mn_xS樣品的光催化降解效率。實驗結果表明,本方法制備的所有樣品具有結晶良好的纖鋅礦結構,沒有雜峰出現(xiàn)。樣品形貌為一維的納米棒狀,分散性良好。摻雜的Mn~(2+)和Ni~(2+)均以替代Zn~(2+)的形式進入到ZnS晶格中,隨著摻雜量的增加樣品的晶格常數(shù)和晶粒尺寸發(fā)生顯著改變。UV-vis吸收光譜顯示所有Zn1-xMxS(M=Mn和Ni)樣品的帶隙均大于塊體ZnS的帶隙(3.67eV),并且隨著摻雜量的增加,分別發(fā)生藍移和紅移現(xiàn)象。摻雜和未摻雜樣品的光致發(fā)光光譜在400-650nm范圍內(nèi)表現(xiàn)出強的藍色發(fā)射帶,同時與純Zn S相比,Zn1-xMxS和Zn_(1-x)Ni_xS納米棒分別在584nm和520nm處觀察到有Mn~(2+)3d殼層4T1-6A1橘黃色特征發(fā)光峰和Ni~(2+)3F殼層3T1 3A2綠色特征發(fā)光峰的出現(xiàn)。磁性測量表明未摻雜ZnS納米棒室溫下表現(xiàn)為超順磁性,而一定量的(Mn和Ni)摻雜納米棒具有室溫鐵磁性,表明過渡金屬的摻雜對ZnS納米棒的鐵磁性有增強的作用。使用RhB水溶液作為陽光照射下的模型污染物,Zn_(1-x)Ni_xS和Zn_(1-x)Mn_xS樣品光催化降解效率研究表明,相對于未摻雜ZnS納米棒,過渡金屬的摻雜引入缺陷能級可以提高光生電子和空穴的分離效率,從而提高ZnS樣品光催化效率。
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【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;O649

【參考文獻】

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本文編號：2289688