纳米氧化锌PPT课件

1、2021/6/71 纳米氧化锌 2021-8-7 开题报告 之 组长：组长： 成员：成员： 2021/6/72 主要内容 简介 分类 合成方法 应用 现状与发展 2021/6/73 氧化锌简介 第三代半导体材料第三代半导体材料 禁带宽度：禁带宽度：3.37eV 纯氧化锌是纯氧化锌是 N型半导体型半导体 又称宽禁带半导体或高温半导体 SiC,GaN,ZnO,AlN,金刚石 很多优异的性能 晶体中有填隙原子Zn和氧空位缺陷， 锌是浅能级缺陷氧空位是神能级缺陷 ZnO的激子束缚的激子束缚 能为能为60meV 2021/6/74 氧化锌结构 a.岩盐矿结构 b.闪锌矿结构 c.六方纤锌矿 结构 202

2、1/6/75 氧化锌性能 n 体积效应体积效应 n 表面效应表面效应 n 量子尺寸效应量子尺寸效应 n 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 n 界面相关效应界面相关效应 n 介电限域效应介电限域效应 微粒分散在异质介质中由于界面 能的存在,引起体系介电性能增强 的现象。当微粒的折射率和介质 的折射率相差很大,微粒表面和内 部的场强比入射场强显著增加,引 起的局部场强增加的现象就是介 电限域效应。这种纳米微粒的介 电限域效应对材料的光吸收、光 学非线性、光化学性能等有非常 重要的影响。 2021/6/76 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

3、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465 520nm 的蓝-绿可见 发光带主要是氧化锌 的深能级缺陷引起的 。 氧化锌发光 2021/6/77 氧化锌掺杂 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 2021/6/78 纳米氧化锌材料的分类 按制备方 法 固相法液相法气相法 2021/6/79 固相法固相法 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

4、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 2021/6/710 液相法液相法 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。 2021/6/711 气相法气相法 气相法

5、：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。 2021/6/712 纳米氧化锌材料的分类纳米氧化锌材料的分类 按结构形 式分 零一维形 式 二三维形 式 复合形式 2021/6/713 零维形式零维形式 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

6、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350 400nm（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。 2021/6/714 一维形式一维形式 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

7、 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 2021/6/715 二维形式二维形式 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

8、潜 力。 2021/6/716 三维形式三维形式 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L iao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 2021/6/717 复合形式复合形式 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

9、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。 2021/6/718 n 纳米纳米ZnO粉体（零维）粉体（零维） n 纳米纳米ZnO阵列（一维）阵列（一维） n 纳米纳米ZnO薄膜（二维）薄膜（二维） n 纳米纳米ZnO晶体（三维）晶体（三维） 固相法、气相法、液相法。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

10、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。 2021/6/719 n 直接沉淀法直接沉淀法 n 均匀沉淀法均匀沉淀法 n 水热合成法水热合成法 n 溶胶溶胶凝胶法凝胶法 n 超声波合成法超声波合成法 n 喷雾热分解法喷雾热分解法 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。 2021/6/720 六水合硝酸锌六水合硝酸锌 掺杂物质掺杂物质 混合

11、溶液混合溶液 蒸干多余硝酸蒸干多余硝酸 搅拌均匀搅拌均匀 乙醇胺乙醇胺 透明溶液透明溶液 退火退火 反应釜反应反应釜反应 聚乙二醇聚乙二醇 硝酸硝酸 离心、分离离心、分离 水热法制纳米粉水热法制纳米粉 2021/6/721 n 纳米纳米ZnO粉体（零维）粉体（零维） n 纳米纳米ZnO阵列（一维）阵列（一维） n 纳米纳米ZnO薄膜（二维）薄膜（二维） n 纳米纳米ZnO晶体（三维）晶体（三维） 模板法、化学气相沉积法、微模板法、化学气相沉积法、微 波法、溶液法波法、溶液法 2021/6/722 清洗基片清洗基片 乙酸锌乙酸锌 混合溶液混合溶液 涂布甩膜涂布甩膜 烘干烘干 晶种晶种 水浴加热水

12、浴加热 纳米纳米ZnO阵列阵列 高温退火高温退火 硝酸锌硝酸锌 混合溶液混合溶液 HMT 乙醇乙醇 水热法制纳米氧化锌阵列水热法制纳米氧化锌阵列 2021/6/723 n 纳米纳米ZnO粉体（零维）粉体（零维） n 纳米纳米ZnO阵列（一维）阵列（一维） n 纳米纳米ZnO薄膜（二维）薄膜（二维） n 纳米纳米ZnO晶体（三维）晶体（三维） 分子束外延法（分子束外延法（MBEMBE）；金属有机物）；金属有机物 化学气相沉积法（化学气相沉积法（MOCVDMOCVD）；激光脉）；激光脉 冲沉积法（冲沉积法（PLDPLD）；喷雾热分解法（）；喷雾热分解法（ SPSP）；磁控溅射法（）；磁控溅射法（M

13、S)MS) 模板法、化学气相沉积法、微模板法、化学气相沉积法、微 波法、溶液法波法、溶液法 非晶晶化法、球磨法非晶晶化法、球磨法 2021/6/724 纳米氧化锌的应用 2021/6/725 主要应用 1 电子、光伏工业电子、光伏工业 2 纺织、日化工业纺织、日化工业 3 玻璃、陶瓷工业玻璃、陶瓷工业 4 橡胶、涂料工业橡胶、涂料工业 2021/6/726 气敏传感器 及压电材料 太阳能电池 和场效应管 荧光体和 隐身技术 1 电子光伏产业电子光伏产业 2 纺织、日化工业纺织、日化工业 3 玻璃陶瓷工业玻璃陶瓷工业 4 橡胶、涂料工业橡胶、涂料工业 2 纺织、日化工业纺织、日化工业 2021/

14、6/727 n 用于制作气敏材料用于制作气敏材料 n 用于制作压电材料用于制作压电材料 纳米纳米ZnO 的传感原理是利用的传感原理是利用 其电学性能其电学性能,利用其电阻随周利用其电阻随周 围气氛中气体组成的改变而改围气氛中气体组成的改变而改 变的特点变的特点,用于对气体进行定用于对气体进行定 性和定量测定、制备气体报警性和定量测定、制备气体报警 器和温度计等。器和温度计等。 1 电子光伏产业电子光伏产业 2 纺织、日化工业纺织、日化工业 3 玻璃陶瓷工业玻璃陶瓷工业 4 橡胶、涂料工业橡胶、涂料工业 2 纺织、日化工业纺织、日化工业 2021/6/728 气敏传感材料 及压电材料 n 用于制

15、作气敏传感器用于制作气敏传感器 ZnO 是一种既具半导体性能又有是一种既具半导体性能又有 压电性能的新型材料，这一优点使压电性能的新型材料，这一优点使 得得ZnO 具备一些其他材料无可比拟具备一些其他材料无可比拟 的独特功能。近年来应用的独特功能。近年来应用ZnO 制备制备 了一种新兴器件了一种新兴器件纳米发电机。纳米发电机。 n 用于制作压电器件用于制作压电器件 2021/6/729 1 电子光伏产业电子光伏产业 气敏传感器及 压电材料 太阳能电池及场 效应晶体管 荧光体及 隐形技术 2021/6/730 ZnO拥有宽禁带、高激子束缚能、高拥有宽禁带、高激子束缚能、高 强度、高硬度和比强度、

16、高硬度和比TiO2 更大的电子更大的电子 迁移率迁移率,使得它很适合于使得它很适合于DSSC。并且。并且 一维纳米氧化锌是单晶，无晶界等对一维纳米氧化锌是单晶，无晶界等对 传输电子的损耗，自由电子更容易漂传输电子的损耗，自由电子更容易漂 移到导电玻璃上，所以用一维纳米氧移到导电玻璃上，所以用一维纳米氧 化锌阵列替代化锌阵列替代TiO2可以在很大程度可以在很大程度 上提高电子的传输效率上提高电子的传输效率 n 染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池 n 场效应管场效应管 2021/6/731 n 相染料敏化太阳能电池相染料敏化太阳能电池 n 场效应管场效应管 太阳能电池 和场效应管 ZnO具有良好

17、的稳定性、高热导率、小具有良好的稳定性、高热导率、小 介电常数、低电子亲和势、高迁移率和介电常数、低电子亲和势、高迁移率和 高击穿电压高击穿电压,非常适合作为场发射阴极材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料。已成功应用于制作场效应晶体管 2021/6/732 n 荧光体荧光体 n 隐身技术隐身技术 纳米纳米ZnO 是在低压电子射线下唯是在低压电子射线下唯 一可发荧光的物质一可发荧光的物质,光色为蓝色和光色为蓝色和 红色红色 。 隐身技术隐身技术雷达波吸收材料雷达波吸收材料 雷达波吸收材料雷达波吸收材料(简称吸波材料简称吸波材料) 指指 能有效地吸收入射雷达波并使其入能有

18、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子共振频移随颗粒尺寸变化的性质, 可以改变颗粒尺寸可以改变颗粒尺寸,控制吸收边的位控制吸收边的位 移移,制造具有一定频宽的微波吸收纳制造具有一定频宽的微波吸收纳 米材料米材料 2021/6/733 2 纺织和日化工业纺织和日化工业 纳米氧化锌无毒、无味纳米氧化锌无毒、无味,对皮肤无刺激性对皮肤无刺激性 ,不分解不分解,不变质不变质,热稳定性好热稳定性好,本身为白色。且本身为白色。且 纳米氧化锌在阳光或紫外线照射下纳米氧化锌在阳光或紫外线照射下,在水和在水和 空气空气(氧气氧气

19、) 中中,能自行分解出自由移动的带能自行分解出自由移动的带 负电的电子负电的电子(e - ) ,同时留下带正电的空穴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。这种空穴可以激活空气中的氧变为 活性氧活性氧,有极强的化学活性有极强的化学活性,能与多数有机物能与多数有机物 发生氧化反应发生氧化反应(包括细菌在内的有机物包括细菌在内的有机物) ,从从 而把大多数病菌和病毒杀死。纳米氧化锌吸而把大多数病菌和病毒杀死。纳米氧化锌吸 收紫外线的能力强收紫外线的能力强,对对UVA (长波长波320400 nm) 和和UVB (中波中波280320 nm) 均有屏均有屏 蔽作用。可用于

20、制造长期卧床病人和医院的蔽作用。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、窗帘及厕所消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘及厕所 以及防晒剂和抗菌剂。以及防晒剂和抗菌剂。 2021/6/734 2 纺织和日化工业纺织和日化工业 食品级纳米氧化锌食品级纳米氧化锌 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，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，以作为许多需要锌，而锌是所有细胞成分

21、之一，以作为许多 基本酵素系统的共同因子（基本酵素系统的共同因子（Cofactor）。每天锌）。每天锌 需求量成人建议要有需求量成人建议要有15mg，而哺乳中母亲则要，而哺乳中母亲则要 有有25mg。纳米氧化锌因其粒径细度为纳米级别。纳米氧化锌因其粒径细度为纳米级别 ，更容易被人体吸收。，更容易被人体吸收。 同时纳米氧化锌具有广谱（同时纳米氧化锌具有广谱（UVA和和UVB）的）的 抗紫外线能力和抗菌、杀菌功能。加入到食品中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，延缓食物变质可以抗菌、杀菌、保持食品新鲜，延缓食物变质 。 2021/6/735 2 纺织和日化工业

22、纺织和日化工业 医药级纳米氧化锌医药级纳米氧化锌 纳米氧化锌纳米氧化锌具有温和收敛及杀菌具有温和收敛及杀菌 作用，可用于以下皮肤疾病及感作用，可用于以下皮肤疾病及感 染治疗：如湿疹小脓疹染治疗：如湿疹小脓疹 (impetigo)、轮癣（、轮癣（Ingworm ）、静脉肿性溃疡、搔痒症及乾）、静脉肿性溃疡、搔痒症及乾 癣癣(Psoriasis)。 2021/6/736 3 陶瓷和玻璃工业陶瓷和玻璃工业 陶瓷工业陶瓷工业 加有纳米加有纳米ZnO 的陶瓷制品具有抗菌的陶瓷制品具有抗菌 除臭和分解有机物的自洁作用除臭和分解有机物的自洁作用,且降且降 低了陶瓷的烧成温度低了陶瓷的烧成温度,覆盖力强覆盖力

23、强,使陶使陶 瓷制品光亮如镜。经过纳米氧化锌抗瓷制品光亮如镜。经过纳米氧化锌抗 菌处理过的产品可制浴缸、地板砖、菌处理过的产品可制浴缸、地板砖、 墙壁、卫生间及桌石。墙壁、卫生间及桌石。 2021/6/737 3 陶瓷和玻璃工业陶瓷和玻璃工业 玻璃工业玻璃工业 纳米纳米ZnO 对紫外线吸收率可达对紫外线吸收率可达95 %以上以上,却却 可透过大于或等于可透过大于或等于85 %的可见光。因此的可见光。因此,可可 以用于汽车玻璃和建筑用玻璃以用于汽车玻璃和建筑用玻璃,这种含纳米这种含纳米 ZnO 的玻璃在屏蔽紫外线的同时的玻璃在屏蔽紫外线的同时,还可以杀还可以杀 菌菌,从而也是自洁玻璃。从而也是自

24、洁玻璃。 2021/6/738 4 橡胶、涂料工业橡胶、涂料工业 涂料工业涂料工业 借助于传统的涂层技术借助于传统的涂层技术,添加纳米材料添加纳米材料,可进可进 一步提高涂料防护能力一步提高涂料防护能力,实现防紫外线照射实现防紫外线照射 、耐大气侵害和抗降解、变色等。纳米氧化、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锌可以明显地提高涂料的耐老化性能, 可作可作 为涂料的抗老化添加剂。为涂料的抗老化添加剂。 2021/6/739 4 橡胶、涂料工业橡胶、涂料工业 橡胶工业橡胶工业 橡胶工业是氧化锌消费的大户。高速耐橡胶工业是氧化锌消费的大户。高速耐 磨的橡胶制品磨的

25、橡胶制品,如飞机轮胎、高级轿车用的如飞机轮胎、高级轿车用的 轮胎等就是使用轮胎等就是使用ZnO 做填充料做填充料,它能使橡胶它能使橡胶 制品抗摩擦着火制品抗摩擦着火,使用寿命长使用寿命长,难以老化。目难以老化。目 前前,普通氧化锌已逐渐被活性普通氧化锌已逐渐被活性ZnO 取代。取代。 2021/6/740 纳米纳米zno的现状和发展的现状和发展 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 2021/6/741 1.纳米纳米zno的制备方法现状研究的制备方法现状研究 固相法，液相法，气相法 化学法 化