纳米氧化锌.ppt

,纳米氧化锌,2019/12/17,开题报告,之,组长：,成员：,主要内容,简介,分类,合成方法,应用,现状与发展,第三代半导体材料禁带宽度：3.37eV,纯氧化锌是N型半导体,ZnO的激子束缚能为60meV,a.岩盐矿结构,b.闪锌矿结构,c.六方纤锌矿结构,体积效应,表面效应,量子尺寸效应,宏观量子隧道效应,界面相关效应,介电限域效应,其晶格中可能产生的本征点缺陷有6种：氧空位、锌空位、反位氧、反位锌、氧填隙以及锌填隙。从能级角度分类，点缺陷可分为浅能级缺陷和深能级缺陷，其中深能级对氧化锌的光学性质影响较大。研究认为，位于465520nm的蓝-绿可见发光带主要是氧化锌的深能级缺陷引起的。,压电性能光学性能气敏特性电学性能催化性能,目的：改善性能,杂质：稀土、铝、锡、氮、铜、银,纳米氧化锌材料的分类,固相法,固相法：是将金属盐或金属氧化物按一定比例充分混合、研磨后进行煅烧,通过发生固相反应直接制得纳米粉末。优缺点：运用固相法制备纳米ZnO具有操作和设备简单安全,工艺流程短等优点,所以工业生产前景比较乐观,其不足之处是制备过程中容易引入杂质,纯度低,并且容易使金属氧化,颗粒不均匀以及形状难以控制,液相法,液相法：制备纳米微粒是将均相溶液通过各种途径使溶质和溶剂分离,溶质形成一定形状和大小的颗粒,得到所需粉末的前驱体,热解后得到纳米微粒。优缺点：液相法具有设备简单、原料容易获得、纯度高、均匀性好、化学组成易于控制等优点。液相法包括沉淀法、水解法、水热法、微乳液法、溶胶-凝胶法等,其中应用最广的是溶胶-凝胶法和沉淀法。,气相法,气相法：指直接利用气体或者通过各种手段将物质变为气体,使之在气体状态下发生物理或化学反应,最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。气相法包括溅射法、化学气相反应法、化学气相凝聚法、等离子体法、激光气相合成法、喷雾热分解法等。,纳米氧化锌材料的分类,零维形式,金属氧化物粉末如氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝及氧化镁等，将这些粉末制成纳米级时，由于微粒之尺寸与光波相当或更小时，由于尺寸效应导致使导带及价带的间隔增加，故光吸收显著增强。各种粉末对光线的遮蔽及反射效率有不同的差异。以氧化锌及二氧化钛比较时，波长小于350纳米（UVB）时，两者遮蔽效率相近，但是在350400nm（UVA）时，氧化锌的遮蔽效率明显高于二氧化钛。同时氧化锌（n=1.9）的折射率小于二氧化钛（n=2.6），对光的漫反射率较低，使得纤维透明度较高且利于纺织品染整。,一维形式,目前,ZnO一维纳米材料及其纳米结构的合成方法主要有化学气相沉积、基于VLS机理的催化生长以及磁控溅射法等气相法以及模板辅助合成、电化学沉积和溶液生长等液相法。与设备昂贵且能耗高的气相法相比,液相法合成ZnO一维纳米材料具有设备简单以及合成温度低的特点。其中,不需借助任何模板、表面活性剂以及外加电场的溶液生长法更是具有容易调控材料尺寸、成本低且便于大规模化的优势。因此,近年来,溶液生长ZnO一维纳米材料并构筑其复合纳米结构的研究成为了国际热点研究课题,二维形式,薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。薄膜所具有的这些优异特性，使其在表面声波器件、太阳能电池等诸多领域得到了广泛应用。随着光泵浦紫外受激辐射的获得和_型掺杂的实现，薄膜作为一种新型的光电材料，在紫外探测器、等领域也有着巨大的发展潜力。,三维形式,自从报导用热蒸发法合成了ZnO纳米晶粒自组装的多面笼、球壳结构以来,许多研究人员相继报导了各自在不同的实验条件下用热蒸发法合成的ZnO微纳米空心球结构。合成的ZnO纳米晶粒自组装的多面笼、球壳的SEM图像,是Lu和Liao等人合成的内外表面生长有纳米线的ZnO空心微球的SEM图像,复合形式,纳米氧化锌的导热性能明显优于炭黑和白炭黑等传统补强填料,其对EPDM具有较好的补强作用,纳米氧化锌/EPDM复合材料的生热较低;采用偶联剂Si69对纳米氧化锌进行原位改性可以改善纳米氧化锌粒子与EPDM间的界面作用,提高其分散性,从而显著提高复合材料的物理性能,降低生热;改性纳米氧化锌/EPDM复合材料的物理性能和导热性能良好,可用于动态工况下使用的橡胶制品。,纳米ZnO粉体（零维）,纳米ZnO阵列（一维）,纳米ZnO薄膜（二维）,纳米ZnO晶体（三维）,固相法、气相法、液相法。,固相法制备纳米氧化锌的原理是将两种物质分别研磨、混合后，充分研磨得到前驱物，再加热分解得到纳米氧化锌粉末。,气相法可分为物理气相沉积法、脉冲激光沉积法、化学气相传输氧化法等。气相生长法制得的纳米氧化锌粒径小、产品分散性好，反应条件易控制，易得到均匀超细粒子，缺点是产物中有原料残存，工艺技术较复杂，成本高，一次性投资大。,直接沉淀法,均匀沉淀法,水热合成法,溶胶凝胶法,溶胶一凝胶法是化学和材料领域中的重要制备过程，通常以金属醇盐及酸盐为原料，在有机介质中进行水解和缩聚，使溶液经溶胶一凝胶化过程得到凝胶，进而干燥，煅烧凝胶即得纳米氧化锌粉,均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢而均匀的释放出来的方法。在该方法中，加入的沉淀剂不立刻与被沉淀组分反应，而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中均匀释放出来从而使沉淀物在整个溶液中缓慢析出，然后再将沉淀煅烧即得纳米氧化锌粉体。,超声波合成法,喷雾热分解法,直接沉淀法是采用锌盐为锌源，氨水、氢氧化钠、碳酸钠为沉淀剂，制得含锌的沉淀物。然后将沉淀物煅烧即得氧化锌粉,沉淀物颗粒晶型成整且致密，避免了杂志的共沉淀，粒子的粒径分布均匀，分散性好。反应条件温和，易于洗涤，工业前景好，但由于Zn(OH)2的两性，PH必须维持在狭小的范围内。,水热合成法制备纳米氧化锌一般是先采用直接沉淀的方法制备出含锌的前驱体，然后将前驱体溶解在水热介质中，在一定的温度和时间下水热反应。由于含锌的前驱体在水热条件下会溶解，生成含锌的过饱和溶液，氧化锌成核生长，从而制得氧化锌粉,六水合硝酸锌,离心、分离,水热法制纳米粉,纳米ZnO粉体（零维）,纳米ZnO阵列（一维）,纳米ZnO薄膜（二维）,纳米ZnO晶体（三维）,模板法、化学气相沉积法、微波法、溶液法,模板法是一种合成纳米结构的最直接的方法。模板法制备纳米材料的主要原理是利用中空通道的模板材料限制材料的生长方向，使其沿一维方向生长。,这种方法主要经历了气固过程或气液固过程，即蒸发原材料在升温过程中汽化，在特定的温度、压力和原子气氛条件下，衬底表面上的蒸气和相互反应在基底上生成目标产物。,清洗基片,水热法制纳米氧化锌阵列,纳米ZnO粉体（零维）,纳米ZnO阵列（一维）,纳米ZnO薄膜（二维）,纳米ZnO晶体（三维）,分子束外延法（MBE）；金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）；激光脉冲沉积法（PLD）；喷雾热分解法（SP）；磁控溅射法（MS),模板法、化学气相沉积法、微波法、溶液法,非晶晶化法、球磨法,纳米氧化锌的应用,主要应用,1电子、光伏工业,2纺织、日化工业,3玻璃、陶瓷工业,4橡胶、涂料工业,纳米ZnO的传感原理是利用其电学性能,利用其电阻随周围气氛中气体组成的改变而改变的特点,用于对气体进行定性和定量测定、制备气体报警器和温度计等。,用于制作气敏传感器,用于制作压电器件,29,1电子光伏产业,ZnO具有良好的稳定性、高热导率、小介电常数、低电子亲和势、高迁移率和高击穿电压,非常适合作为场发射阴极材料。已成功应用于制作场效应晶体管,纳米ZnO是在低压电子射线下唯一可发荧光的物质,光色为蓝色和红色。,隐身技术雷达波吸收材料雷达波吸收材料(简称吸波材料)指能有效地吸收入射雷达波并使其入射衰减的一类功能材料。利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质,可以改变颗粒尺寸,控制吸收边的位移,制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料,2纺织和日化工业,1文献综述,纳米氧化锌无毒、无味,对皮肤无刺激性,不分解,不变质,热稳定性好,本身为白色。且纳米氧化锌在阳光或紫外线照射下,在水和空气(氧气)中,能自行分解出自由移动的带负电的电子(e-),同时留下带正电的空穴(H+)。这种空穴可以激活空气中的氧变为活性氧,有极强的化学活性,能与多数有机物发生氧化反应(包括细菌在内的有机物),从而把大多数病菌和病毒杀死。纳米氧化锌吸收紫外线的能力强,对UVA(长波320400nm)和UVB(中波280320nm)均有屏蔽作用。可用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘及厕所以及防晒剂和抗菌剂。,2纺织和日化工业,食品级纳米氧化锌在合于优良制造过程或喂食过程前提下，一般被认为安全的食物添加物。锌广泛存在于活体中，也是人体含量最多的微量金属元素，所有生物皆需要锌，而锌是所有细胞成分之一，以作为许多基本酵素系统的共同因子（Cofactor）。每天锌需求量成人建议要有15mg，而哺乳中母亲则要有25mg。纳米氧化锌因其粒径细度为纳米级别，更容易被人体吸收。同时纳米氧化锌具有广谱（UVA和UVB）的抗紫外线能力和抗菌、杀菌功能。加入到食品中可以抗菌、杀菌、保持食品新鲜，延缓食物变质。,2纺织和日化工业,医药级纳米氧化锌纳米氧化锌具有温和收敛及杀菌作用，可用于以下皮肤疾病及感染治疗：如湿疹小脓疹(impetigo)、轮癣（Ingworm）、静脉肿性溃疡、搔痒症及乾癣(Psoriasis)。,3陶瓷和玻璃工业,陶瓷工业加有纳米ZnO的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有机物的自洁作用,且降低了陶瓷的烧成温度,覆盖力强,使陶瓷制品光亮如镜。经过纳米氧化锌抗菌处理过的产品可制浴缸、地板砖、墙壁、卫生间及桌石。,3陶瓷和玻璃工业,玻璃工业纳米ZnO对紫外线吸收率可达95%以上,却可透过大于或等于85%的可见光。因此,可以用于汽车玻璃和建筑用玻璃,这种含纳米ZnO的玻璃在屏蔽紫外线的同时,还可以杀菌,从而也是自洁玻璃。,4橡胶、涂料工业,涂料工业借助于传统的涂层技术,添加纳米材料,可进一步提高涂料防护能力,实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等。纳米氧化锌可以明显地提高涂料的耐老化性能,可作为涂料的抗老化添加剂。,4橡胶、涂料工业,橡胶工业橡胶工业是氧化锌消费的大户。高速耐磨的橡胶制品,如飞机轮胎、高级轿车用的轮胎等就是使用ZnO做填充料,它能使橡胶制品抗摩擦着火,使用寿命长,难以老化。目前,普通氧化锌已逐渐被活性ZnO取代。,纳米zno的现状和发展,纳米zno制备方法现状的研究纳米zno的生产应用纳米zno结构现状的研究我国纳米zno的生产现状纳米zno目前存在的问题纳米zno未来的发展方向,1.纳米zno的制备方法现状研究,固相法，液相法，气相法,化学法,化学沉淀法溶液凝胶法微乳液法化学气相沉积法喷雾热解法固相合成法,物理法,机械粉碎法深度塑形变形法,2.纳米zno生产应用的研究,利用光学性能,抗紫外线产品荧光产品制备太阳能电池应用表面涂料产品,生物性能：医药方面的杀毒，消菌，除臭等,化学性能,制造催化剂制造电池电极,半导体性能,图像记录材料气体传感器表面波器件压敏变阻器和电容器抗静电复合材料,4.我国纳米zno的生产现状,5.纳米zno目前存在的问题,我国纳米zno材料研究存在的问题：研究单位多、面广，力量分散，低水平的重复性研究现象严重纳米zno工业生产存在的关键问题：尺寸、形貌和分布的控制；团聚体的控制与分散；表面的形态、缺陷、粗糙度、成分的控