金屬離子改性的二氧化錫納米材料的制備及特性的研究.pdf

1、SnO2是一種重要的寬帶隙n型半導(dǎo)體(禁帶寬度為3.6 eV)，其優(yōu)異的光電和氣敏性能，使得它在發(fā)光材料、吸光材料、催化劑、氣敏元件、稀磁半導(dǎo)體、鋰離子電池負(fù)極材料等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。通過納米材料改性方法如控制制備工藝、摻雜和熱處理過程，使SnO2納米半導(dǎo)體材料的宏微觀性能夠得到明顯改善，還可能出現(xiàn)一些新奇的特性，有望大大拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，因此研究金屬離子改性的SnO2半導(dǎo)體納米材料的制備和特性對于材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都具有重要的

2、意義。
　　 本論文采用溶膠-凝膠法和水熱法制備了過渡金屬離子(Fe、Co、Mn)、稀土元素Ce、功能離子Zn摻雜的二氧化錫納米顆粒，首次系統(tǒng)深入研究了制備方法、摻雜離子濃度和熱處理溫度對SnO2微結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響。主要的研究成果及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.首次同時(shí)采用了溶膠-凝膠法和水熱法制備了Fe摻雜的SnO2納米顆粒，并對兩種方法制備的樣品的微結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了比較，擇優(yōu)選擇水熱法作為后續(xù)樣品的制備方法。通過XRD

3、、BET、HRTEM、FTIR、PL、DRS、MPMS等方法對樣品的微結(jié)構(gòu)和光學(xué)、磁學(xué)性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明，溶膠凝膠法和水熱法制備的Fe摻雜SnO2納米顆粒呈金紅石型SnO2結(jié)構(gòu)，大小均勻，分散性好。隨Fe摻雜濃度增加和熱處理溫度升高，吸收光譜明顯紅移，所有樣品分別在389 nm和470nm附近出現(xiàn)紫外發(fā)光峰和藍(lán)色發(fā)光帶。磁性研究表明樣品以順磁性為主。通過對兩種方法制備的樣品的微結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行比較，表明水熱法無須焙燒即可直接合成Fe摻

4、雜的SnO2納米顆粒。對同一摻雜濃度和同樣熱處理溫度的樣品，水熱法制備的納米顆粒分散性更好、分布范圍更窄、比表面積更大、熱穩(wěn)定性更好。因此接下來的研究樣品采用水熱法來制備。
　　 2.系統(tǒng)研究了過渡金屬離子Co摻雜SnO2納米顆粒的水熱制備和摻雜濃度與熱處理溫度對納米顆粒的微結(jié)構(gòu)、光吸收、熒光特性和磁性能的影響。實(shí)驗(yàn)制備的樣品粒徑隨摻雜濃度增加而減小，隨熱處理溫度升高而增大。隨因摻雜濃度增大引起的粒徑減小，吸收邊紅移，紫外發(fā)光峰

5、和藍(lán)色發(fā)光峰的強(qiáng)度比減小。PPMS測試顯示，樣品呈現(xiàn)順磁性，隨焙燒溫度升高，磁矩減小。
　　 3.采用水熱法合成了不同摻雜濃度的Mn摻雜SnO2納米顆粒，并通過不同的熱處理過程來研究其熱穩(wěn)定性。通過對顆粒微結(jié)構(gòu)和光學(xué)、磁學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，四方晶系金紅石型Mn摻雜的SnO2納米顆粒呈球形，隨Mn摻雜濃度增大，粒徑減小，吸收邊紅移，在389 nm和470 nm附近分別出現(xiàn)紫外發(fā)光峰和藍(lán)色發(fā)光峰。經(jīng)焙燒后，樣品的粒徑增大，紫外發(fā)光峰和

6、藍(lán)色發(fā)光峰強(qiáng)度減弱。并發(fā)現(xiàn)，Mn的摻雜并沒有導(dǎo)致樣品鐵磁性的出現(xiàn)。
　　 4.將不同濃度的稀土元素離子Ce摻入到SnO2納米顆粒中，并詳細(xì)研究了樣品的微結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。水熱法直接合成了四方相的金紅石型Ce摻雜SnO2納米顆粒，樣品粒徑隨Ce摻雜量增加而減小，隨焙燒溫度升高而增大。所有樣品都有紫外發(fā)光峰和藍(lán)色發(fā)光峰，隨Ce摻雜濃度增大和焙燒溫度升高，發(fā)光峰位置不變。光學(xué)帶隙隨Ce摻雜濃度增加和焙燒溫度升高而增大。
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7、.系統(tǒng)研究了水熱法制備的功能離子Zn摻雜的SnO2納米顆粒的微結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。Zn∶Sn比例較小時(shí)，Zn摻雜并不改變晶體結(jié)構(gòu)，但XRD衍射峰位略有右移，Zn∶Sn摩爾比達(dá)到20∶1時(shí)出現(xiàn)雜質(zhì)相Zn2SnO4。隨Zn∶Sn比例增加，紫外可見漫反射光譜表現(xiàn)藍(lán)移，光學(xué)帶隙增大，位于389 nm附近的紫外發(fā)光峰無明顯峰移，強(qiáng)度減弱。藍(lán)色發(fā)光峰由未摻雜前的470 nm移到摻雜后的439 nm附近，強(qiáng)度隨Zn∶Sn比例增加而增強(qiáng)。經(jīng)熱處理后，相比于

8、未熱處理前，樣品的吸收邊移向低能端，藍(lán)色發(fā)光峰紅移。
　　 總之，探索制備方法、摻雜、熱處理溫度對納米二氧化錫的微結(jié)構(gòu)和宏觀特性的影響是目前的研究熱點(diǎn)，我們的研究工作包括不同種類摻雜離子、不同摻雜濃度、不同焙燒溫度和不同制備方法合成的納米二氧化錫的特性研究，特別是通過摻雜對其光學(xué)性能的改善。所得到的研究結(jié)果對于總結(jié)發(fā)光規(guī)律、吸收特性、探討磁性機(jī)理，開辟制備新型半導(dǎo)體納米材料的途徑和方法，對材料科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究都有深遠(yuǎn)的