MnCo共掺杂纳米ZnO粉体的制备及性能的究

1、mn-co共掺杂纳米zno粉体的制备及性能研究学号 ：201110830282答辩人 ：尚文君指导老师：安丽娟目录研究目的及意义纳米zno概述实验及表征结论近年来，为了改善纳米zno材料的使用性能，通常采用向zno独特的结构中引入其他元素来改善和增强其性能。本课题研究的是co-mn对纳米zno粉体的掺杂，一方面研究掺杂金属元素对纳米氧化锌的结构和形貌的影响，另一方面是可以实现对其有目的的掺杂，改变其光学、磁学、发光性能、光催化降解、导电性等。使其在光学、磁学、电学等领域得到广泛的应用研究目的及意义研究目的及意义纳米纳米zno概述概述 rocksalt zinc blcnde wurtzite

2、rocksalt zinc blcnde wurtzite 像大多数像大多数- 族二元族二元化合物半导体一样，化合物半导体一样，zno也有三种结构：立也有三种结构：立方岩盐矿结构、立方闪方岩盐矿结构、立方闪锌矿结构和六角纤锌矿锌矿结构和六角纤锌矿结构结构。氧化锌在常温常氧化锌在常温常压下以六角纤锌矿的热压下以六角纤锌矿的热力学稳定相结构存在，力学稳定相结构存在，立方岩盐矿结构只能生立方岩盐矿结构只能生长在于其相近的立方结长在于其相近的立方结构的衬底上，氯化钠式构的衬底上，氯化钠式的八面体结构只在一定的八面体结构只在一定高压下被观察到，在自高压下被观察到，在自然界是很少存在的。然界是很少存在的。

3、1.纳米纳米zno晶格结构晶格结构2.纳米zno的基本性质物理参数数值晶格结构六角铅锌矿结构晶格常数（nm）a=0.324750.3286；c=0.520420.5241熔点（）1975带隙宽度（ev）（室温下）3.37密度（g/cm3）5.606原子个数（1022/cm3）4.15热导率（w/cm k）c：112；c：0.6静态介电常数8.656300k下热膨胀系数（/）c：3.010-6；c：6.510-6本征载流子浓度（/cm3）106折射率n（600nm处）c：2.029；c：2.008激子束缚能（mev）60激子波尔半径（nm）2.03空穴有效质量0.59电子有效质量0.24空穴迁移

4、率（300k，cm2/vs）550电子迁移率（300k，cm2/vs）200实验及表征1.实验试剂、仪器及方法实验试剂：氢氧化钠、氯化锌、六水合氯化锰、六水合氯化钴、盐酸、无水乙醇、乙二胺四乙酸钠、邻苯二甲酸氢钾实验仪器：ar2140型电子分析天平、hj-5型多功能恒温搅拌器、jj-1定时电动搅拌棒、dk-98-电热恒温水浴锅、shz-diii循环水真空泵、wgl-658电热鼓风干燥箱、rjm-28-10a茂福式加热用电阻炉、 d8advance型x-射线衍射仪、fei sirion扫描电子显微镜、js-1600型离子溅射仪实验方法：共沉淀法2.实验流程配置溶液研磨灼烧抽滤、洗涤干燥搅拌配置配

5、置1mol/l zncl2溶液、溶液、0.1mol/l的的cocl2溶液溶液、0.1mol/l的的mncl2溶液溶液和和2mol/l的的naoh溶液，溶液，在在一定温度一定温度下，下，将配置好将配置好的的naoh溶液缓慢滴加到溶液缓慢滴加到1mol/l的的 zncl2溶液、溶液、0.1mol/l的的cocl2溶液和溶液和0.1mol/l的的mncl2溶液溶液混合溶液混合溶液中，搅拌一定时间后得到前躯体悬浊液。将悬浊液抽滤、洗涤后放入烘干箱内中，搅拌一定时间后得到前躯体悬浊液。将悬浊液抽滤、洗涤后放入烘干箱内进行干燥，然后进行干燥，然后倒入坩埚放入真空电阻炉进行灼烧倒入坩埚放入真空电阻炉进行灼烧

6、，最后，最后将其放入玛瑙研钵中将其放入玛瑙研钵中进行研磨后得到进行研磨后得到mo、co共共掺杂的纳米掺杂的纳米zno粉体。粉体。序号序号zn：mn：co搅拌温度（搅拌温度（） 搅拌时间（搅拌时间（h）干燥时间干燥时间（h；在；在130下）下）灼烧温度（灼烧温度（）灼烧时间（灼烧时间（h）1 11 1：0.100.10：0.100.10常温常温2 2- -6006000.50.52 21 1：0.0750.075：0.050.05常温常温2 20.50.56006002.02.03 31 1：0.0750.075：0.0750.075常温常温2 20.50.56006002.02.04 41 1

7、：0.050.05：0.0750.07525252 20.50.56006002.02.05 51 1：0.100.10：0.100.1025251 12 26006002.02.06 61 1：0.050.05：0.050.0525251 12 26006002.02.07 71 1：0.0750.075：0.0750.07525251 12 26006002.02.08 81 1：0.05(0.05(无无co)co)25251 11 16006001.51.59 91 1：0.040.04：0.010.0125251 11 16006001.51.510101 1：0.030.03：0.0

8、20.0225251 11 16006001.51.511111 1：0.0250.025：0.0250.02525252 21 15005002.02.012121 1：0.020.02：0.030.0325252 21 15005002.02.013131 1：0.010.01：0.040.0425252 21 15005002.02.014141 1：0.05(0.05(无无mn)mn)25252 21 15005002.02.015151 1：0.0150.015：0.0350.03530301 11 16006002.02.016161 1：0.0350.035：0.0150.015

9、30301 11 16006002.02.03.表征本论文采用本论文采用x-x-射线衍射（射线衍射（xrd）和扫描电子显微镜（）和扫描电子显微镜（fesem）对实验获）对实验获得样品进行表征和分析。得样品进行表征和分析。图1：zno：mn：co浓度比为1：0.05：0.05 的xrd图谱图2：zno：mn浓度比为1：0.05的xrd图谱图3：zno：mn：co浓度比为1：0.04：0.01的xrd图谱图4：zno：mn：co浓度比为1：0.01：0.04的xrd图谱图5：zno：mn：co浓度比为1：0.015：0.035 的xrd图谱图图1.1.所示为所示为mn和和co的掺杂量为的掺杂量为5

10、%的样品在的样品在25水浴温度下搅拌水浴温度下搅拌1h，130干燥箱内干燥干燥箱内干燥2h，600温度下煅烧温度下煅烧2h后的后的xrd图谱，在图谱中仅图谱，在图谱中仅出现了六方钎锌矿结构衍射峰，没有出现其他衍射峰，说明在这种掺杂量出现了六方钎锌矿结构衍射峰，没有出现其他衍射峰，说明在这种掺杂量及反应条件下及反应条件下zno的结构没有发生明显变化；的结构没有发生明显变化；图图2.和图和图3.分别是分别是mn的掺杂量为的掺杂量为5%和和mn的掺杂量为的掺杂量为4%co的掺杂量为的掺杂量为1%的样品在的样品在25水浴温度下搅拌水浴温度下搅拌1h，130干燥箱内干燥干燥箱内干燥1h，600温度温度下

11、煅烧下煅烧1.5h后的后的xrd图谱，在图谱中除了图谱，在图谱中除了zno的衍射峰外，在的衍射峰外，在100，002高峰之前出现两个小峰，分别为高峰之前出现两个小峰，分别为mno和和coo的衍射峰，说明在这种掺杂的衍射峰，说明在这种掺杂量及反应条件下有一部分杂质氧化物存在；量及反应条件下有一部分杂质氧化物存在；图图4.所示是所示是mn和和co的掺杂量分别为的掺杂量分别为1%和和4%的样品在的样品在25水浴温度下搅水浴温度下搅拌拌2h，130干燥箱内干燥干燥箱内干燥1h，500温度下煅烧温度下煅烧2h后的后的xrd图谱，图图谱，图5.5.所示是所示是mn和和co的掺杂量分别为的掺杂量分别为1.5

12、%和和3.5%的样品在的样品在30水浴温度下搅水浴温度下搅拌拌1h，130干燥箱内干燥干燥箱内干燥1h，600温度下煅烧温度下煅烧2h后的后的xrd图谱，上述图谱，上述两组实验都没有其他衍射峰出现并得到了明显的两组实验都没有其他衍射峰出现并得到了明显的zno的衍射峰。的衍射峰。图图6 不同掺杂浓度不同掺杂浓度zno：mn：co样品的样品的 fesem 照片照片a：1：0.05 ：0.075 10000 b：1：0.05 ：0.075 40000 c：1：0.05 ：0.05 10000 d：1：0.05 ：0.05 40000 图图7 不同掺杂浓度不同掺杂浓度zno：mn：co样品的样品的 f

13、esem 照片照片 e：1：0.01 ：0.04 10000 f：1：0.01 ：0.04 40000g：1：0.015：0.035 10000 h：1：0.015：0.035 40000图图6.和图和图7.所示是不同浓度的所示是不同浓度的mn-co掺杂纳米掺杂纳米zno粉体在扫描电子显粉体在扫描电子显微镜中，在微镜中，在20kv高压下拍摄的高压下拍摄的10000倍和倍和40000倍的倍的sem照片。纯照片。纯 zno 为分散均匀的纺锤体结构，长度约为为分散均匀的纺锤体结构，长度约为 600 nm，直径，直径 200 nm。图图a、b分别是分别是mn、co掺杂量为掺杂量为5%、7.5%的纳米的

14、纳米zno样品在样品在10000倍和倍和40000倍下的照片，从图中可以看出当掺杂倍下的照片，从图中可以看出当掺杂mn、co元素后颗粒元素后颗粒尺寸明显变小，形貌也发生变化，分散均匀，观察样品可以看到照尺寸明显变小，形貌也发生变化，分散均匀，观察样品可以看到照片中存在明显的六方状颗粒，平均粒径为片中存在明显的六方状颗粒，平均粒径为200nm。图图c、d分别是分别是mn、co掺杂量都为掺杂量都为5%的纳米的纳米zno样品在照片，从图样品在照片，从图中可以看到有一半的棒状颗粒和细小的颗粒存在，棒状颗粒长度约中可以看到有一半的棒状颗粒和细小的颗粒存在，棒状颗粒长度约为为500nm，直接约，直接约20

15、0nm，细小颗粒的直径平均在，细小颗粒的直径平均在200nm。图图e、f分别是分别是mn、co掺杂量为掺杂量为1%、4%的纳米的纳米zno样品，从图中可样品，从图中可以看出当掺杂以看出当掺杂mn、co元素后棒状较多，同时还出现了部分团聚现元素后棒状较多，同时还出现了部分团聚现象。图象。图g、h分别是分别是mn、co掺杂量为掺杂量为1.5%、3.5%的纳米的纳米zno样品，样品，从图中可以看出样品的从图中可以看出样品的sem 形貌照片明显出现颗粒团聚的现象。形貌照片明显出现颗粒团聚的现象。 结论本论文以本论文以 zncl2 2、mnclmncl2 2、coclcocl2 2和和naohnaoh为

16、原料，采用共沉淀法成功制为原料，采用共沉淀法成功制备了备了mnmn、co离子共掺杂的纳米离子共掺杂的纳米zno 粉体，确定了煅烧温度、煅烧时间、粉体，确定了煅烧温度、煅烧时间、溶液碱度、原料比例、搅拌时间和预搅拌温度等最佳实验参数。分析溶液碱度、原料比例、搅拌时间和预搅拌温度等最佳实验参数。分析和讨论不同和讨论不同mnmn2+2+、 coco2+2+以不同掺杂浓度制备的以不同掺杂浓度制备的zno 纳米粉体的结构、形纳米粉体的结构、形貌等特征。其主要结论如下：貌等特征。其主要结论如下：（1）以）以zncl2 2、mnclmncl2 2、coclcocl2 2和和naohnaoh为原料，采用共沉淀法制备为原料，采用共沉淀法制备zno 纳米粉体的最佳反应条件：煅烧温度纳米粉体的最佳反应条件：煅烧温度600、煅烧时间、煅烧时间2h、总掺杂量为、总掺杂量为12.5%12.5%、搅拌时间、搅拌时间2h2h、预搅拌温度为、预搅拌温度为2525。（2 2）通过研究不同）通过研究不同 mnmn2+2+、coco2+2+掺杂浓度掺杂浓度 zno：纳米粉体的结构、形：纳米粉体的结构、形貌特征，貌特征，mnmn、co co 元素以元素以mnmn2+2+、 coco2+2+的形式替代了