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西北师范大学2015届本科生学位论文答辩氧化锌纳米棒水热法制备及其场发射特性研究答辩人：马磊导师：王成伟教授专业：物理学☞主要内容:1研究意义及背景2实验部分3结果与讨论4总结1研究意义及背景研究意义及背景目前，氧化锌纳米结构材料的研究已取得了很大的进展，各国科研小组已经成功合成了不同结构的氧化锌纳米材料，如低维氧化锌纳米棒、纳米线和纳米带以及部分特殊结构的纳米材料（氧化锌纳米梳，纳米结构圆盘以及纳米弹簧材料）。以上的氧化锌纳米结构材料目前在催化、气敏传感器、光电存储器件、光电转换器件、纳光电系统、场效应晶体管、激光器和透明导电薄膜等材料方面表现出了潜在的应用前景。1研究意义及背景实验上，氧化锌纳米材料的制备主要采用传统实验方法，如模板限制辅助生长法、金属有机物气相外延法、分子束外延法、激光沉积法、溅射法和水热法等。一般而言，气相法对设备条件要求较高，不利于器件的集成化。液相法(如水热法)具有生长温度低、易于控制、成本低等优点。尤其是制备的样品的表面能低、无团聚或少团聚以及粒子纯度高、晶形均匀、易于控制等特点。目前，利用水热法制备氧化锌纳米结构材料已被实验上广泛采用。、2实验部分使用液相法在两种不同的比较溶液（80mL）中合成氧化锌纳米棒阵列：方案一：1.5克氨（25.0%)+5gZn(NO3)2·6H2O(99.0%)方案二：1.5g氨（25.0%)+3gZn(NO3)2·6H2O(99.0%)反应场所：两个聚四氟乙烯高压反应釜容器(100毫升)中2实验部分两个2×3平方厘米的锌基底(0.25毫米厚,用去离子的水冲洗几次后使用)分别放入上述两种水溶液，保持恒温80°C加热12h。最后，将反应完的锌基底A、B从溶液中取出，分别用去离子水反复冲洗过,之后放入60°C的烘箱中自然烘干，得到氧化锌样品以备研究。下一步下一步2理论方法1.扫描电子显微镜(SEM)——————观察样品形貌2.X射线衍射(XRD)——————分析产物的物相组成和晶体结构3.用透射电子显微镜(TEM)——————观察了单个纳米棒的形貌4.高分辨率(HRTEM)和选择区域电子衍(SAED)————-研究了样品的微结构使用仪器3结论与讨论通过使用扫描电子显微镜(SEM)观察来观察锌基底上合成产物的基本形貌。在第一个溶液中浸泡12h合成的产物，顶端和横截面如图1(a))。我们可以清楚的看到大量带有平端面的氧化锌纳米棒，且这些氧化锌纳米棒生长在锌基底A上，纳米棒的平均直径和长度分别是150nm和1.5um。结果与讨论由于第二种溶液中把Zn(NO3)2·6H2O的质量减少到3g，从图1(b)中可以看出氧化锌晶体的形态有了明显的区别。锌基底B的表面尺被尺寸均匀、方向相同、带有尖端的氧化锌纳米棒阵列覆盖，长度为1.5um。然而，把反应时间增加到24h，有趣的是有平端的氧化锌纳米棒出现在锌基底B上(如标记图1中的箭头(c))，且有少量板条状晶体出现在锌基底B的其它区域中，如图1(d)所示。在氧化锌基底上带有不同反应时间的氧化锌产物，其x射线衍射（XRD）衍射结果相同，在34.65°有一个很强的的衍射峰，衍射峰说明了氧化锌纳米棒的沿着基底的垂直轴向优先生长。反应24h后产物的衍射峰强度比12h的大，这表明了随着时间的增长，氧化锌纳米棒有一个更好的c轴方向生长。此外，能量散射x射线分析(图2(b))表明在我们的样品中只有锌元素和氧元素，并且锌原子和氧原子的比大概是50.31：49.54。为了用透射电子显微镜(TEM)观察锌基底B上带有24h反应时间的氧化锌纳米棒的结晶度，我们在酒精中通过超声波从锌基底上转移产物。透射电子显微镜(TEM)图像(图2(c))表明氧化锌纳米棒非常笔直，并且沿着它们的轴向有统一的直径。但是不同的纳米棒有直径不同，相应的高分辨率的透射电子显微镜(TEM)进一步确定纳米棒是单晶并且0.52nm的晶格间距与沿着c轴结晶平面（001）的d间距一致，这与选区电子衍射结果也相一致。对得到的图1（a）和（b)来说，不同点是在方案2中加入较少的Zn(NO3)2·6H2O，因此在方案2中对于氧化锌晶体的生长，前驱体主要来自于锌基底B区域中的金属锌，来Zn(NO3)2·6H2O中锌离子的供应非常少，并且由于浓度的影响，锌粒子从纳米棒的根区域运输到顶区域，所以在纳米棒顶端周围的低浓度区域（相对于纳米棒的底部）氧化锌晶体的增长很慢，它导致了带有尖端的氧化锌纳米棒的形成（方案1（b））。对于带有更多Zn(NO3)2·6H2O的方案1几乎没有浓度梯度，纳米棒上浓度是一致的，它使得带有平端（方案1（a））氧化锌纳米棒的形。•在方案2中，随着将反应时间从12h增加到24h，最后的结论与我们的实验一致，正如方案2中表示的结果一样，当两个单纳米棒接触时，溶液的过饱和度加强，它使得在两个纳米棒的交界面周围晶体的二次增长，并且形成了平顶纳米棒（方案（a））。与此同时纳米棒如图1（c）中平整的对齐，X射线衍射(XRD)衍射结果也证明该合成机理。事实上，在其它的表征中，这种结果也可以被观测到。例如在纳米棒晶体制备中，通过相互结合纳米粒子可以转换成纳米棒。另一方面，在图1（d）中，我们发现有板条状纳米棒生成，该结果如方案2（b）中显示的那样，当任何两个纳米棒几乎互相平行时，晶体的二次增长的交接区域将会实现合并。如果这一情况持续下去，最终将会得到一个特殊的板条晶体。。、4总结通过上文的叙述可以知道，利用一种非常简单且低廉的方法可制备不同形貌的氧化锌纳米棒阵列。我们认为在溶液中加入含有锌离子的盐（Zn(NO3)2·6H2O）在形成氧化锌纳米棒中起到了关键性作用，随着时间的增加，尖端到平端的晶体形态与锌的前驱体浓度分布有关。此外，我们在本次实验中得出的方案表明，不同形态的增长机制应归因于氧化锌晶体的合并和二次生长。致谢我的本科毕业论文（设计）撰写工作自始至终都是在王成伟老师和研究生苏小峰学长的全面、具体的指导下进行的。王老师渊博的学识、敏锐的思维、民主而严谨的作风，使我受益匪浅，终生难忘。王老师严谨的治学态度和对工作兢兢业业、一丝不苟的精神将永远激励和鞭策我认真学习、努力工作……同时也感谢我的同窗马玉鹏，马海潮，马鹏义等一直以来的帮助和关心！忘记不了与你们在宿舍畅所欲言，忘记不了与你们享受青春！感谢你们！因为你们，使我的本科学习生涯更加丰富多彩！感谢物理与电子工程学院的各位领导和老师为我们营造了一个良好的学习和生活的环境感谢我的父母多年来对我学习上的支持、鼓励以及生活上无微不至的关怀。无以回报，唯能以刻苦、勤奋求学来稍稍减轻自己心中的歉意和内疚！在此，祝愿你们永远身体健康！幸福快乐！最后，再次向所有帮助、关心过我的人致以衷心的感谢！特别感谢参与答辩会的专家、老师们！您们辛苦了！