AAO模板和CdS納米材料的制備及表征.pdf

1、納米材料是指空間三維上至少有一維的尺寸在納米級(jí)別(1～100nm)或以它們?yōu)榛局黧w構(gòu)成的材料，因?yàn)榫邆渑c宏觀材料截然不同的性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和前景，引起科學(xué)界和企業(yè)界的極大關(guān)注。近年來，模板法制備納米材料引起了廣泛的重視，該方法基于模板的空間限域作用實(shí)現(xiàn)對(duì)合成納米材料的大小、形貌和結(jié)構(gòu)等的控制。多孔陽極氧化鋁膜(Anodic aluminum oxide，AAO)作為一種很好的模板材料，被廣泛應(yīng)用于納米結(jié)構(gòu)的合成，特別是制備陣列有序

2、的一維納米材料。其孔徑在5～500nm范圍，孔率高達(dá)1011～13/cm2，孔道長(zhǎng)度可達(dá)幾到上百微米，具有制備工藝簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)、孔徑大小均勻、良好的可控制性和制得的納米材料具有與模板孔洞相似的結(jié)構(gòu)特征等優(yōu)異特性。目前，以AAO為模板已經(jīng)成功地制備了導(dǎo)電聚合物、金屬、半導(dǎo)體和碳的納米纖維和納米管。所采用的方法主要有:電化學(xué)沉積、化學(xué)沉積（也稱化學(xué)浴）、化學(xué)聚合、溶膠-凝膠法和化學(xué)氣相沉積法。
　　硫化鎘(CdS)屬于Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料

3、，同該族其他半導(dǎo)體材料一樣，是直接能隙半導(dǎo)體，室溫下禁帶寬度為2.42eV，屬可見光范疇。納米級(jí)別的CdS因具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子遂道效應(yīng)擁有塊狀材料沒有的特殊性能。例如，其能級(jí)的第一激發(fā)態(tài)會(huì)隨著粒子尺寸的減小而升高，能隙變寬，光吸收帶普遍存在向短波方向移動(dòng)的“藍(lán)移”現(xiàn)象。因此被廣泛應(yīng)用于光電子領(lǐng)域，例如半導(dǎo)體器件、非線性光學(xué)器件、發(fā)光二極管、光活性波導(dǎo)、電致發(fā)光材料、通信、信息存儲(chǔ)、高集成的化學(xué)或生物傳感器、

4、太陽能電板、催化和熒光標(biāo)記等。
　　本文分別用一次陽極氧化法和兩次陽極氧化法制備了陽極氧化鋁(Anodic aluminumoxide，AAO)膜，并以兩次陽極氧化法制備的AAO為模板、采用化學(xué)浴沉積法制備得到六方晶系結(jié)構(gòu)的硫化鎘(CdS)納米線。主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.對(duì)兩種方法制備的AAO膜進(jìn)行了比較后，主要采用兩步氧化法制備陽極氧化鋁膜，并研究不同的氧化反應(yīng)時(shí)間對(duì)所制備的陽極氧化鋁的影響，探索了AAO膜制備

5、工藝的較優(yōu)條件。通過X-射線粉末衍射儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)檢測(cè)和分析AAO膜的物相和表面形貌及尺寸。由XRD結(jié)果分析得出:實(shí)驗(yàn)制備的AAO膜是由非晶態(tài)的氧化鋁構(gòu)成，不存在沒被完全氧化的鋁基，表明所制備的AAO膜質(zhì)量比較高。SEM結(jié)果表明:AAO膜的孔洞規(guī)則有序，孔徑大小基本一致，孔的形貌也趨于一致，近似呈圓形;膜的每個(gè)單元趨于正六邊形，其孔徑大小為90nm左右，說明制備得到了符合實(shí)驗(yàn)要求的AAO模板，可用于硫化鎘納米材料

6、的制備。通過對(duì)比不同氧化反應(yīng)時(shí)間制備的AAO膜的SEM圖，得到最佳的制備條件，即第一次陽極氧化時(shí)間為12h的AAO膜較好。
　　2.在25℃下用5％的磷酸溶液對(duì)二次陽極氧化的AAO膜進(jìn)行了擴(kuò)孔研究。通過SEM圖的對(duì)照比較發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)孔后的AAO膜與擴(kuò)孔前相比，只有孔徑發(fā)生變化，AAO膜的整體形貌保持良好。根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算得到AAO膜在直徑方向上的擴(kuò)孔速率約為1nm/min，直徑的增加量與腐蝕時(shí)間近似呈線性關(guān)系。由孔徑隨擴(kuò)孔時(shí)間的變化曲線圖

7、可看出，孔洞的直徑隨著腐蝕時(shí)間的增加而增大。由此說明，可以通過調(diào)節(jié)腐蝕時(shí)間來選擇實(shí)驗(yàn)所需的一定孔徑大小的AAO膜，實(shí)現(xiàn)AAO模板孔徑大小的可控性。另外，從AAO膜的熒光譜圖發(fā)現(xiàn)，它具有很強(qiáng)的熒光性能，主要在425nm處有強(qiáng)的熒光發(fā)射峰。推測(cè)這可能是由于AAO模板孔洞本身的缺陷導(dǎo)致。
　　3.以氯化鎘[CdCl2·2.5H2O]和硫脲[H2NCSHN2或(NH2)2CS]為鎘源和硫源，分別利用水熱法和AAO模板法制備得到CdS納米顆

8、粒和納米線。通過XRD分析發(fā)現(xiàn)，水熱法制得的CdS納米顆粒主要為六方晶系;SEM結(jié)果顯示，樣品是幾微米的大顆粒球，這些顆粒球又由大量形狀不規(guī)則的“碎石”狀小粒子（直徑約為100nm）單元聚合形成，說明存在一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。對(duì)于用自制的AAO膜為模板、利用化學(xué)浴法制備得到的CdS納米線，通過XRD和標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡片分析，發(fā)現(xiàn)也為六方晶系結(jié)構(gòu)，其XRD圖中未出現(xiàn)其他雜峰，說明沒有單質(zhì)Cd和S存在。通過透射電子顯微鏡(TEM)和digital

9、 micrograph軟件對(duì)CdS納米線的形貌特征進(jìn)行檢測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)制得的CdS納米線形貌均勻有序，統(tǒng)一規(guī)整，單根長(zhǎng)度達(dá)到5.5μm，直徑約為90nm。從熒光光譜分析發(fā)現(xiàn)，水熱法制備得到的CdS納米顆粒在415nm和583nm兩處有較強(qiáng)的熒光發(fā)射峰，而AAO模板法制備的CdS納米線主要在445nm出現(xiàn)發(fā)射峰，相較于前者的兩處發(fā)射峰分別發(fā)生“紅移”和“藍(lán)移”現(xiàn)象。
　　本論文最后進(jìn)行了全文總結(jié)和對(duì)下一步工作的展望。建議可以嘗試用直