氧化锌

CdS/ZnO纳米棒的制备和性质研究

09应用物理孙家驹200910250101

ZnO是一种重要的Ⅱ―Ⅵ族半导体化合物，能广泛应用于光电领域本文采用水溶液生长法，以硝酸锌和氨水为前驱生长液，通过衬底表面晶种层的外延生长方式，制备了高取向的六方纤锌矿氧化锌(ZnO)纳米/微米棒晶阵列薄膜。研究了ZnO棒晶在水溶液中外延生长的机理。考察衬底微结构、生长时间和初始锌离子浓度等对ZnO棒晶尺寸的影响。在生长溶液中添加硝酸镉，通过调节生长液中硝酸镉的浓度、pH值、硝酸镉的加入方式以及生长时间等考察了对ZnO薄膜形貌的影响。在生长溶液中加入氯化钠、柠檬酸钠、硝酸铵以及氟化铵研究了

ZnO薄膜形貌的变化。

利用XRD、SEM、EDS、FESEM、TEM和HRTEM等方法分析和表征了制得的ZnO薄膜的物相组成、晶体形貌和组织结构等。实验发现在氨水体系中加入硝酸镉由于静电力作用，到正电的[Cd(NH3)6]2+与[Zn(NH3)4]2+竞争吸附于ZnO晶体(0001)负极性面，迫使大量[Zn(NH3)4]2+吸附于ZnO晶体的(1000)和(1010)晶面，导致棒径方向的生长速率增大，制备出直径高达700nm的ZnO棒晶，棒晶之间相互嵌合生长，得到了高取向、高致密度的ZnO多晶取向薄膜。生长溶液中加入柠檬酸钠后制备出片状ZnO；加入氟化铵后制备出针状ZnO。本文通过考察晶种层衬底微结构、生长时间和初始锌离子浓度等研究了水溶液法ZnO的外延生长规律。实验结果表明：排列整齐一致的

ZnO纳米棒晶阵列的制备需要衬底表面涂敷ZnO晶种层；随着生长时间的增加，棒的尺寸增大；生长液初始锌浓度主要影响棒的c轴方向的生长速率，浓度的增大有利于ZnO棒晶阵列的致密度以及整齐度；生长液中加入硝酸镉后，随着初始镉离子浓度的增加，棒径从～180nm增至～400nm；增大初始pH值后，ZnO棒晶的尺寸无明显变化，但薄膜由致密变的疏松，原因是小棒径的ZnO棒晶溶解；ZnO在原Zn(NO3)2/NH3·H2O体系中生长1h后再置入[Zn(NO3)2、Cd(NO3)2]/NH3·H2O生长体系随着二次生长液中镉离子浓度由0.012 M增至0.03 M时，棒径从～300 nm增至～700nm，且相互嵌合生长在一起，出现棒晶二次生长的现象。通过在生长液中添加Cd(NO3)2，可实现大范围棒径尺寸的调节，其棒径的范围为～180nm至～700nm，并能制备出高取向、高致密度的ZnO多晶薄膜。

制备步骤：

1先制备氧化锌籽晶，将MEA单乙醇胺、Zn(Ac)2、乙二醇甲醚按适量配比混合在60摄氏度温度下不断搅拌加热两个小时，然后取玻璃基底提拉十次，每次提拉都在300摄氏度温度下干燥十分钟。然后放入马弗炉，调整温度500摄氏度，一小时后取出。

2．在氧化锌籽晶的基础上制成氧化锌纳米棒。将0.1mol HTMs 六亚甲基四胺和0.1mol Zn（NO3）2混合，将带有氧化锌种子的玻璃片放入溶液，在95摄氏度温度下加热10h。取出后在500摄氏度温度下干燥2h。

3. 掺入硫化镉。取1 g CdCl2 2.5H2O，0.5 g SC（NH2）2和2 g KOH

制备混合溶液，将纳米棒玻璃片放入溶液中在80摄氏度条件下分别加热30min，60min，90min，120min，180min，240min。取出后在马弗炉中500摄氏度干燥两个小时。

4.至此，硫化镉/氧化锌纳米棒就制备完成了。

接下来对样品用XRD、FESEM、UV-vis进行分析，了解ZnO阵列的结晶质量和性质的关系。

通过紫光和绿光同时照射制备的ZnO /CdS纳米复合结构光催化降解甲基橙溶液来表征ZnO /CdS纳米复合结构的光催化活性。用波长为365 nm 和520 nm 的两个8 W 荧光灯来作为光源。将制备的纯ZnO和CdS生长150m in时制备的ZnO /CdS纳米复合结构样品放在比色皿底部, 移入3mL质量浓度为5mg /L的甲基橙溶液。将比色皿放在光源下方,确保溶液能够完全被照射。每间隔照射一段时间, 降解液样在室下进行紫外吸收测试。进行紫外吸收测试。

结果与讨论

所制备的ZnO /CdS纳米复合结构的形貌通过扫描电子显微镜( SEM ) 来表征。图为CdS沉积时间分别为60, 150, 260 m in的ZnO /CdS纳米复合结构的SEM 图像。在CdS沉积的初期[ 60m in, 如图所

示] , 几乎看不到CdS的存在。随着沉积时间的增加, CdS纳米粒子的尺寸和密度都有所增加, 并且ZnO纳米棒的直径开始变小。延长沉积时间之后[ 260min] , 可以观察到ZnO纳米棒表面完全被CdS粒子包覆。以上过程说明, 在CdS的生长过程中, ZnO纳米棒表面被逐渐地腐蚀。为进一步证明所制备的CdS包覆在了ZnO表面, 使用X 射线衍射

( XRD )图谱对ZnO /CdS纳米复合结构进行表征(如图所示)。XRD 图谱显示出了ZnO和CdS的特征衍射峰。最强的峰值出现, 说明Zno纳米棒是沿着c 轴择优生长的