低維氧化鋅納米材料的合成及浸潤性研究.pdf

1、在低維納米材料制備科學和技術研究方面的一個重要趨勢是加強控制工程的研究，包括顆粒尺寸、形狀、表面、微結構的控制。目前在一維納米結構陣列中，研究最熱的主要有三種：硅納米線、碳納米管和ZnO納米線/納米帶。ZnO納米線由于其獨特的結構和光電等性質，成為當今一維納米材料研究的熱點之一。
　　 雖然ZnO納米材料的研究已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但在工藝簡單、低成本、高產(chǎn)率、高結晶質量、及形貌可控制備上依然存在很大挑戰(zhàn)。本論文研究工作以一維Z

2、nO納米線陣列為主要研究對象，另外研究了零維和二維納米材料，圍繞著材料的生長、結構形貌、液滴浸潤性機理以及超疏水性等方面，開展了一系列工作，具體內容如下：
　　 在第一章中，對納米材料的合成技術、基于自組裝法合成一維納米功能材料的研究進展、一維納米材料的性質和應用、以及研究意義做了概述。
　　 在論文第二章中，首先總結了ZnO材料的基本性質，然后開始介紹本論文的主要工作：ZnO納米線陣列應用于器件的一個前提是必須具備很好

3、的垂直性和分散性，人們在以往的研究中采用了模板法、化學氣相沉積法、金屬氣相外延生長法等多種方法來實現(xiàn)對納米線陣列的調控。與其它制備方法相比，水熱法具有反應條件溫和、易操作、成本較低、產(chǎn)物分散性好、結晶質量高、團聚少及易于推廣等優(yōu)點。本章利用磁控濺射在玻璃或Si襯底上濺射一層ZnO籽晶層的基礎上，再利用水浴法/水熱法生長了垂直性、分散性和重復性具佳的ZnO納米線陣列。與水浴法生長的ZnO納米線的長徑比為20:1相比；水熱法生長的ZnO納米

4、線的長徑比達到104:1，ZnO納米線的柔韌性非常好，即使在納米線的上端發(fā)生彎曲也不會斷裂。本章還闡述了ZnO納米線的生長過程：ZnO極性面表面能高，要經(jīng)過表面重整以降低表面能，所以極性面(0001面)的生長速度要大于其他晶面；同時納米線某個面生長的快慢與其生長速度也有關系，不同面的生長速度也不一樣。
　　 綜合上面兩個因素考慮ZnO納米線沿著(0001)方向快速生長。此外研究了溫度和HF對ZnO形貌的影響。隨著溫度的升高，水的

5、電離度會增加，水中增加的H+離子會抑制ZnO沿c軸擇優(yōu)取向生長，從而造成ZnO由低溫(<100℃)的納米線狀結構向高溫(>150℃)片狀結構的轉變。當反應溶液中加入HF時，H+對ZnO的影響主要有兩點：一方面隨著H+離子濃度的增加，ZnO結構的長徑比不斷減小，由柱狀結構向磷片組成的球狀結構轉變，另一方面H+使ZnO結構逐漸變薄，由球狀變?yōu)榱嘶ò隊?；F-使ZnO表面出現(xiàn)粗糙結構，最終使微結構由鱗片狀變成纖維狀。在論文第三章中，在粗糙結構表

6、面濕潤特性研究的基礎上，建立了一個描述液滴在實際微納米復合結構表面浸潤特性的新的半浸潤模型。首先介紹與接觸角相關的一些定義和基本理論，對靜態(tài)接觸角和接觸角滯后現(xiàn)象進行分析。然后分析描述液滴在固體表面浸潤狀態(tài)的傳統(tǒng)理論模Wenzel模型和Cassie模型的聯(lián)系和區(qū)別，并在此基礎上提出一個新的解釋液滴在不同形貌固體表面浸潤性質的模型—半浸潤模型，并用此模型計算了特殊表面的接觸角，得出了和實驗相一致的結論。最后利用半浸潤模型給出了接觸角滯后和

7、滾動角的關系。
　　 在論文第四章中，實驗研究了ZnO納米線陣列、網(wǎng)狀乳突節(jié)點陣列及其它微納仿生自組裝復合結構表面的浸潤特性。利用溶膠凝膠法和水浴法在玻璃襯底上分別制備了疏水性SiO2薄膜和超疏水性ZnO納米線陣列薄膜，并在理論上對實驗結果進行了驗證。利用簡單的水熱自組裝的方法制備了網(wǎng)狀乳突結點狀ZnO薄膜，該薄膜經(jīng)HTMS修飾以后具有穩(wěn)定的超疏水性。建立了一個“張力接觸模型”來解釋水的表面張力和快速蒸發(fā)是網(wǎng)狀乳突結構形成的原因

8、。這種網(wǎng)狀結構是一種類荷葉的微納米復合結構，水滴在該結構表面的接觸角高達170o，滾動角小于2o。
　　 同時，利用Cassie模型從理論上驗證了該結果。此外，研究了花狀ZnO結構的制備及其超疏水性。最后，在沒有貴金屬(Au,Ag等)輔助的情況下，利用簡單化學刻蝕的方法，在Si(001)面上刻蝕出金字塔狀結構，研究了金字塔表面的疏水性。
　　 在論文第五章中，主要是通過用禁帶寬度較窄的熒光量子點CdSe與寬禁帶ZnO納米

9、線復合，實現(xiàn)不同能帶之間的調制，以達到對太陽光寬波段的吸收，為下一步光電器件的研究奠定基礎。研究了熒光量子點CdSe納米顆粒的制備及其光學性質(吸收、光致發(fā)光)。通過改變反應時間，實現(xiàn)了CdSe量子點尺寸和發(fā)光波長的調控。為了提高光生載流子的傳輸效率，通過配位鍵的轉換，利用短碳鏈分子巰基丙酸(MPA)代替量子點表面的長碳鏈分子三正辛基氧化磷(TOPO)。此外，利用低溫水熱法(50℃)制備出了高結晶質量的ZnO納米線陣列。