第一次作业2000字以上综述
论述纳米二氧化锡分级结构的制备与材料功能
摘要
纳米材料时代的到来受到了各个领域的青睐和重视,随着研究的进一步深化和材料性质进一步地被挖掘,使得其应用范围越来越广泛。由于具有多层次、多维度、多组分的耦合和协同效应, 分级结构纳米材料的设计合成近年来吸引了广泛的关注。具有这类结构的材料因其新颖的结构, 奇特的构造, 赋予它独特的物理、化学性质, 加之形貌和尺寸对性质的极大影响, 使得它将具有更新颖的应用, 尤其是在纳米器件的制造方面, 将具有更多潜在的应用价值, 丰富了纳米结构材料的性能。纳米二氧化锡就是一种重要的纳米应用材料,其在掺杂处理后能表现出独特的光学特性和电学特性,使其在电子技术、医学、研究等领域中应用广泛。
关键词:二氧化锡 纳米材料 分级结构 气敏材料
1绪论
当晶体尺寸小道纳米尺寸后,其表面效应、量子效应、小尺寸效应等将使之产生有别于其体相材料的性质,从而带来新的应用。随着科技的发展,对纳米材料的要求更高了。由于具备多级次、多维度、多组分的耦合以及协同效应,分级结构材料无疑成为能够满足材料发展要求最重要的候选之一。它是由基本纳米结构单元(零维、一维、二维)基于非共价键包括氢键、配位键、堆积效应、范德华力、静电力、疏水作用、手性作用、官能团的电子效应、立体效应和长程作用
等的相互作用下按照一定规律排列或自组装结合形成稳定的具有一定规则几何外观的有序结构。
二氧化锡是一种宽禁带的n 型半导体, 常温下由于具有独特的光电学性质, 其在传感器、发光材料、太阳能电池防静电涂料、锂离子电池等方面有着广泛的应用。本文主要介绍三种纳米二氧化锡分级结构的制备及其性能。
2纳米二氧化锡分级结构与性能
2.1二氧化锡纳米线
这里主要介绍管式炉热蒸发法。这种方法具有方法简易且费用低的优点。首先将一片长有500nm 二氧化硅的硅衬底(10mm×10mm) 放在丙酮溶液中超声约5分钟, 去除表面的污染物。利用磁控溅射仪在清洁的硅衬底表面上镀上一层约20nm 的金膜作为生长催化剂。然后将硅片放入氧化铝小舟中, 镀有金膜的一面朝上, 将锡颗粒直接放在有金膜一面的衬底上。把氧化铝小舟推入石英管中, 并将石英管的两端用活塞封住。以600sccm 的速率通入氢气用来排除石英管中的空气, 使得反应在含有微量氧的气氛中进行。通气约10分钟后, 开始加热管式炉至高温, 同时调节氢气的速率为60sccm 。当系统升温至实验所设定的温度时, 维持在该温度反应约持续10分钟。反应结束后, 等系统冷却至室温时, 将氧化铝小舟推出石英管。这时可以发现, 在硅衬底上布满了大量的白色绒毛状的产物, 就是二氧化锡纳米线。
低维结构, 如纳米管、纳米线、量子点等, 与体材料相比具有很多不同的性质, 因而引起人们极大的兴趣。利用电子束曝光系统和聚焦离
子束设备在二氧化锡上制作钛/金和铂电极, 研究单根二氧化锡纳米线的电学以及气敏性质。所合成的二氧化锡纳米线的电阻大约为几兆欧到几十兆欧之间, 是一种n 型半导体。利用单根二氧化锡纳米线与两种不同的金属钛/金和铂接触, 制备了具有整流作用的二氧化锡纳米线整流二极管。在对二氧化锡作为传感器的研究中, 发现二氧化锡对二氧化氮, 氨气以及湿度都具有响应时间快、灵敏度高以及可重复使用的特点, 是一种很优良的气敏和湿度传感器材料。
2.2介孔二氧化锡基薄膜
主要介绍软模板法,除此之外还有一种硬模板法。在制备纯氧化锡薄膜过程中,先称取一定质量的 SnCl 4〃5H 2O 溶解在 50mL 乙醇中,反应过程中体系温度保持在 40℃。SnCl 4〃5H 2O 在乙醇中溶解迅速,溶液呈酸性,在搅拌 0.5 小时后,再加入一定体积的去离子水,以确保水解进行的完全,然后加入模板剂 PEG2000,继续搅拌 2 小时,使得表面活性剂 PEG2000 与四氯化锡的水解产物相互作用,模板剂 PEG2000 最终通过焙烧方法去除,从而制备出介孔结构的 SnO 2。搅拌反应后的溶液作为提拉镀膜的镀液。
研究结果表明其性能主要有以下三点:
(1)氧化锡薄膜的介孔结构与多种实验参数有关。锡离子浓度为 0.2mol/L 时薄膜结构和性能最好,浓度降低则薄膜连续性降低,浓度增加则薄膜致密性增加,介孔结构受到影响;PEG2000 质量从 0.30g 增加到 0.50g 后薄膜连续性降低,继续增加到 0.90g 后薄膜的连续性有所提高,同时粒径减小;水加入体积增大,薄膜的连续性提
高,同时薄膜对乙醇的灵敏度降低;焙烧温度从 300℃增加到 600℃过程中,PEG2000 逐渐分解完全,分解不完全可能有助于醇类的吸附。
(2)氧化铜的掺入量对薄膜的形貌和气敏性能有着重要影响。1%摩尔掺杂量时薄膜在较低加热电压下对乙醇、甲醇的灵敏度均得到了提高;继续增加氧化铜的掺入量则会增加颗粒直径,影响氧化锡薄膜的连续性,薄膜对乙醇和甲醇的灵敏度降低。
(3)掺杂银后气敏元件的灵敏度得到了一定程度的提高。500℃焙烧、保温 3小时制备的薄膜在银掺杂后,薄膜的气敏性能得到了较大程度的提高;500℃焙烧、保温 2 小时制备的薄膜在银掺杂后在较低的加热电压下对乙醇也有响应,其灵敏度与浓度呈线性关系。
2.3 SnO 2空心纳米结构的制备
以下是水热合成方法的介绍:首先,在磁力搅拌条件下配臵 20ml 的五水合四氯化锡(SnCl4〃5H 2O) (1.0 mmol)去离子水溶液;随后,在强力搅拌的情况下,将 10ml 的氢氧化钠(NaOH) (1.5 M)水溶液逐滴缓慢地滴加到上述溶液中直到完毕,然后继续进行磁性搅拌 20min ;随后,仍然在强力磁性搅拌的条件下,把 10ml 无水乙醇溶液逐滴滴加到搅拌中的混合溶液中,滴加完成后将混合溶液移入到具有聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜中(容量为 50ml ),密封后放入电加热炉中,在 180ºC 恒温条件下加热 24h ;恒温加热以后关闭电源,使反应釜随炉冷却到室温,之后收集反应釜内的反应产物,再把收集到的沉淀物分别用无水乙醇和去离子水多次离心洗涤后收集,最后在空气中
80 ºC 恒温烘干后获得最终产物。
在此基础上,通过一个简单的热分解过程可获得Au 负载的二氧化锡空心分级结构。与实心微球相比,没有负载Au 的空心微球对乙醇气体具有高灵敏度、快响应-恢复和良好选择性的能力。Au 的负载能显著地提高二氧化锡对于丙酮气体的气敏特性。
3. 总结与展望
在纳米材料应用中,SnO 2占有很重要的位臵,在科学、医学、能源、生物技术、航天航空等领域都获得了较为广泛的应用,随着研究的深入,其应用前景会越来越广阔。纳米SnO 2掺杂一些物质之后能显著提升其光学性能及电学性能,随着科技的进步纳米SnO 2的更多特性将会被不断地挖掘出来,具有更广阔的应用空间。除了上面主要介绍的三种之外,还有科研人员从结构性生物模板、自组装生物模板和功能性生物模板的角度出发,充分利用生物分子的表面活性,探索了开放式、疏松薄壁型以及同时具备以上两特点的分级多孔结构的合成方法及其在金属氧化物气敏材料的应用。这种方法的应用前景也是非常广阔的。
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