CdS微-納米材料的控制合成及生長機(jī)理研究.pdf

1、納米材料是材料科學(xué)與納米科技的交叉部分，也是納米科技中最基礎(chǔ)、最活躍的組成部分，對未來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著重要影響。由于其明顯不同于體材料和單個(gè)分子的獨(dú)特性質(zhì)-小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)等，納米材料在電子、太陽能、陶瓷、生物和醫(yī)療等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。隨著人們對納米材料所具有的特殊性質(zhì)的逐步認(rèn)識(shí)和對納米材料應(yīng)用方面研究的開展，納米材料與納米結(jié)構(gòu)的制備研究也日趨深入。在各種形態(tài)的納米材料中，一維納米材料和特殊形貌納米材料的制備是

2、納米材料在納米器件、催化劑和傳感器等方面獲得應(yīng)用的關(guān)鍵，在今后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)將成為納米材料研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。 CdS是一種典型的Ⅱ-Ⅳ族寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的物化性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于壓電晶體、窗口材料和激光材料等方面。隨著納米材料的興起，各種形貌的CdS納米材料不斷被制備出來，納米CdS材料具有納米材料和半導(dǎo)體材料兩方面的優(yōu)異性質(zhì)，在光催化、太陽能電池、發(fā)光二極管、生物標(biāo)簽、液晶顯示器和傳感器等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。最近幾十年

3、來，關(guān)于CdS納米材料制備方面的研究取得了巨大的進(jìn)步，但仍有很多問題需要解決。目前，有效的控制CdS納米材料的形貌和微結(jié)構(gòu)并對其生長機(jī)理進(jìn)行探討是很多研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。 本論文以CdS納米體系為研究對象，側(cè)重于CdS納米材料的化學(xué)合成和對產(chǎn)物的形貌控制。通過選擇合適的原料、輔助劑以及反應(yīng)路線制備出一維或特殊形貌的CdS納米材料，并對其進(jìn)行表征和性能研究。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、形貌及尺寸的有效控制，研究了各實(shí)驗(yàn)參數(shù)對產(chǎn)物形貌的

4、影響，并探討了不同產(chǎn)物的生長機(jī)理。本論文主要研究內(nèi)容歸結(jié)如下： (1)采用聚乙烯醇為軟模板通過溶劑熱路線制備出CdS納米線，在此反應(yīng)體系中，聚乙烯醇分子在溶液中形成交聯(lián)網(wǎng)格，阻止CdS粒子團(tuán)聚，同時(shí)，乙二胺促進(jìn)產(chǎn)物的一維生長，最終得到CdS納米線，并研究了聚乙烯醇的加入方式對產(chǎn)物的影響。為簡化反應(yīng)路線，提高該路線的應(yīng)用性，又用聚乙二醇取代聚乙烯醇為軟模板對反應(yīng)路線進(jìn)行改進(jìn)。 (2)以半胱氨酸為硫源、乙二胺為溶劑，經(jīng)過簡單

5、的溶劑熱反應(yīng)制備出CdS納米線。系統(tǒng)的研究了實(shí)驗(yàn)條件對產(chǎn)物形貌的影響，并提出CdS納米線的生長機(jī)理，即：在反應(yīng)過程中，形成的Cd-半胱氨酸絡(luò)合物有效的控制了S2-的釋放速度；乙二胺和半胱氨酸反應(yīng)生成的肽共同促進(jìn)產(chǎn)物的一維生長。 (3)不加任何添加劑，通過溶劑熱路線，僅簡單的調(diào)節(jié)巰基乙酸的加入量實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)物的形貌控制，分別獲得三維海膽狀CdS微?；駽dS納米線。根據(jù)對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探討了海膽狀CdS的生長機(jī)理，提出在此反應(yīng)體系中，最初

6、形成的CdS粒子團(tuán)聚成大塊團(tuán)聚體，之后團(tuán)聚體逐漸完善成規(guī)則的球狀，然后在乙二胺的作用下，團(tuán)聚體內(nèi)的相鄰粒子取向連接形成緊密排列的納米棒，得到三維海膽狀CdS微粒。 (4)通過簡單的一步水熱反應(yīng)制備出新穎的啞鈴狀和項(xiàng)鏈狀CdS微粒。系統(tǒng)的研究了反應(yīng)時(shí)間、聚合物種類、聚乙烯醇加入量、硫源和反應(yīng)溫度等對CdS產(chǎn)物的形貌的影響。并提出啞鈴狀和項(xiàng)鏈狀CdS微粒非均衡-均衡轉(zhuǎn)變生長機(jī)理。 (5)以葡萄糖為輔助劑，通過前驅(qū)體熱分解法制

7、備出分散性好、尺寸可控的CdS納米粒子。研究發(fā)現(xiàn)：在Cd-TGA絡(luò)合物熱分解過程中，葡萄糖可以對形成的CdS起到包覆和分散作用，有效阻止其團(tuán)聚，之后，葡萄糖發(fā)生分解與碳化反應(yīng)，在CdS表面形成由碳粉組成的包覆層，使得CdS粒子在高溫下結(jié)晶度改善的同時(shí)不會(huì)發(fā)生團(tuán)聚生長。碳粉完全氧化后，最終得到粒徑小、分散性好且結(jié)晶度高的CdS納米粒子。 本研究發(fā)展和完善了CdS納米材料制備路線，為其它納米材料的制備提供了借鑒，并為CdS納米材料的