创新性实验

国家大学生创新性实验计划典型案例

点击数：2391 作者：佚名来源：本站原创发布时间：2009年04月16日

ZnX(X=O, S, Se, Te)半导体纳米材料的电化学制备

中山大学化学与化学工程学院

一、摘要

中山大学是教育部首批十所国家大学生创新训练计划试点高校之一，化学与化学工程学院2004级应用化学专业本科生卢锡洪等5名同学申请的“ZnX(X=O, S, Se, Te)半导体纳米材料的电化学制备研究”获得“国家大学生创新训练计划”项目立项资助，指导教师为物理化学专业的童叶翔教授和李高仁博士。

ZnX(X=O, S, Se, Te) 是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体材料，具有优良的光电、压电特性，在探测器件、发光器件、表面声波器件、气敏传感器以及太阳能电池等领域有重要的应用前景。本项目旨在利用电化学方法制备纳米ZnO和ZnO掺杂稀磁材料等系列纳米材料，并对其进行形貌表征、光学和磁学性质研究。

通过此项目的开展，项目组学生根据国际相关领域研究热点，采用电化学方法制备出具有新颖纳米结构及实用意义的ZnO系列纳米材料，有机会利用多种先进表面物理技术对这些纳米材料进行了具有国际水平的表征和研究，到目前为止共在国际重要学术刊物J. Phys. Chem. C, Cryst. Growth Des.; Electrochem. Commun., Electrochim. Acta发表SCI收录的论文7篇。此项目的实施成效显著，培养了学生对科学研究的兴趣，熟悉了科研的过程，拓宽了学生的知识视野，提高了学生的科研素质，为其进一步深造和提高创新能力打下坚实基础。“国家大学生创新训练计划”的实施为本科生创新能力培养提供了制度保证和经费支持。

二、案例正文

（一）项目选题背景

化学与化学工程学院2004级应用化学专业本科生卢锡洪等5名同学修完了《物理化学》等基础理论和实验课后，掌握了材料制备、表征等领域的基本理论和实践知识，对处于宏观和微观之间的介观化学充满了向往和兴趣。ZnX(X=O, S, Se, T e) 是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体材料，具有优良的光电、压电特性，在探测器件、发光器件、表面声波器件、气敏传感器以及太阳能电池等领域有重要的应用前景，近年来此类纳米结构材料的制备和性质

已引起了国内外学者的广泛关注，根据此国际纳米材料领域的研究热点，项目组选择采用电化学方法制备具有新颖纳米结构及实用意义的ZnX(X=O, S, Se, Te)纳米材料为题，得到了任课教师童叶翔教授和李高仁博士的大力支持，他们从2006年9月直接进入项目组实验室开展研究工作。同学们在教师指导下，通过查阅和研读文献、对ZnO纳米材料的电化学制备和表征进行详细了解；自学新的知识，开始实验方案设计，并反复推敲和论证，撰写了“国家大学生创新训练计划”申请报告，获得教育部首批立项资助。

（二）项目成员的组成、特长、分工及成员间相互协调配和情况、导师指导情况本项目的申请由柯志海，卢锡洪，李林朋，包云玉，孔培健等5名同学共同提出，由于课程学习和研究兴趣的改变，坚持开展实验研究的只有卢锡洪和柯志海同学。柯志海同学在本项目中主要负责ZnO 纳米材料的电化学制备；卢锡洪同学在本项目中主要负责ZnO纳米材料的表征研究，包括：XRD, EDS, SEM, HRTEM, SEAD，主要研究ZnO成核机制和晶粒生长过程，认识粒子尺寸和形貌的生长规律，探索非晶、纳米晶的生长机制。同时负责研究ZnO纳米材料的紫外、荧光等光学性能。童叶翔教授和李高仁博士负责本项目的全面指导工作，包括项目的学术思想、技术路线制订与理论分析、研究进展、数据处理和论文撰发等工作。

从2006年9月开始，卢锡洪和柯志海同学在导师的指导下独立开展实验研究，在探索研究问题的过程中不断学习ZnO纳米材料的新知识、在实验过程中发现新问题、寻求解决问题的方法和途径，学习如何提出问题、发现问题的思路和方法；反复实验，分析处理实验数据，总结、深化实验研究，撰写科研论文等。教师在指导项目组学生开展课题研究的过程中，特别强调交叉科学的思维培养，着力培养学生以新视角、新思路、新方法审视所研究课题、推敲实验方案，将学科交叉的思想和意识渗透到每一个研究环节的细微处；并认真修改学生撰写的研究论文，在投稿发表过程中，不断灌输学生的学术鉴赏力和学术规范，注重在研究过程中提高学生的科研能力、培养其团队合作精神。

（三）项目的创新点和特色

1．项目的创新点

(1) 通过电化学方法制备ZnX(X=O, S, Se, Te)，目前文献报道不多，这类纳米材料的电

化学制备、纳米结构调控和相变研究是崭新的研究领域；

(2) 通过电化学沉积方法，设计并制备过渡族金属或稀土掺杂的的ZnO纳米材料，实现材料的设计及制备的调控以及光学和磁学性质预测，也是本项目的另一个创新点。

2. 项目的科学意义及应用价值

自从2001年国际上首次报道合成ZnO纳米带后，ZnX纳米材料成为当今纳米结构研究的热点之一，由于其属于宽能隙半导体化合物，并且有很大的激子结合能, 有着独特的发光性质、电学性质以及机械性质，在压敏、光催化、光电极、场发射、太阳能电池、化学传感器、表面弹性波滤波器等领域具有广阔应用前景。目前纳米棒、纳米线、纳米管、纳米弹簧、纳米梳子等一维或者准一维ZnX纳米结构可以通过热蒸发、溅射法、水热法、共沉积法等物理和化学方法制备, 结合国内外纳米材料的最近研究热点和我们课题组的前期工作积累，本项目的特色为尝试在更绿色易得的水溶液体系中开展电化学方法制备ZnO半导体纳米材料的探索，并期望逐步通过掺杂磁性元素或稀土元素获得一些有价值和较大应有前景的半导体稀磁材料和新型荧光材料。

（四）项目实施的进展情况及初步取得的创新成果

1. 项目实施的进展情况

（1）以有机酸为形貌调控剂，通过电化学方法成功制备了ZnO纳米棒束，不同类型的多孔ZnO纳米结构，初步阐明了多种不同形貌ZnO纳米结构的形成机制，实现了ZnO纳米材料的电化学合成及形貌的电化学调控，并探讨了其荧光性质。实验结果在国际重要学术刊物Electrochem. Commun.(2007, 9, 863-868) 发表论文1篇，在美国化学会《物理化学杂志C卷》（J.Phys. Chem. C, 2007, 111, 1919-1923；2007, 111, 6678-6683)发表论文2篇。此部分结果被审稿人给予了较好评价：“I believe that project involving here would be an interesting contribution to the literature on electrochemical synthesis of high-pure ZnO nanostructures.”。

（2）在纯ZnO纳米结构的制备获得了成功后，卢锡洪同学开始进一步探索过渡族金属或稀土掺杂ZnO制备，目的是为了得到稀磁半导体纳米材料。制备出(Mn, Co)共掺的ZnO