材料合成与制备

材料合成与制备报告 班级 姓名 得分 学号 半导体纳米材料的性质及化学法制备 摘要摘要 着重介绍了半导体纳米粒子的表面效应、量子尺寸效应等基 本性质,以及纳米半导体材料的热学、 光学和光电化学性质,综述了化 学法制备纳米半导体材料的原理和特点。 关键词关键词半导体纳米材料; 基本性质; 制备方法 1.引言 相对于导体材料而言,半导体中的电子动能较低 ,有较长的德布罗意 波长,对空间限域比较敏感。半导体材料空间中某一方向的尺寸限制 与电子的德布罗意波长可比拟时,电子的运动被量子化地限制在离散 的本征态,从而失去一个空间自由度或者说减少了一维 ,通常适用材 料的电子的粒子行为在此材料中不再适用。这种自然界不存在,通过 能带工程人工制造的新型功能材料叫做半导体纳米材料。现已知道, 半导体纳米粒子结构上的特点原子尺寸小 100 nm ,大比例原子处于 晶界环境,各之间存在相互作用等 是导致半导体纳米材料具有特殊 性质的根本原因。 半导体纳米材料独特的性质使其将在未来的各种功 能器件中发挥重要作用,半导体纳米材料的制备是目前研究的热点之 一。 本文讨论了半导体纳米材料的性质综述了几种化学法制备半导体 纳米材料的原理和特点。 2. 半导体纳米粒子的基本性质 2.12.1 表面效应表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之 比随粒子尺寸的减小而大幅度地增加对于直径为 10 nm 的粒子,表 面原子所占百分数为 20 ;直径为 1 nm 的粒子,表面原子所占百分数 为 100 ,粒子的表面能和表面张力随之增加,材料的光、电、化学 性质发生变化。表面原子的活性比晶格内的原子高,其构型也可能发 生变化,因而表面状况也将对整个材料的性质产生显著影响。例如 , 吴晓春等制备了表面包覆有阴离子表面活性剂的 SnO2 纳米微粒,测 定了裸露的和表面包覆有阴离子表面活性剂的 SnO2 纳米微粒的红外 吸收光谱。 2.22.2 量子尺寸效应当半导体材料从体相减小到某一临界尺寸 如 与电子的德布罗意波长、 电子的非弹性散射平均自由程和体相激子的 玻尔半径相等以后,其中的电子、 空穴和激子等载流子的运动将受 到强量子封闭性的限制 ,同时导致其能量的增加 ,与此相应的电子结 构也从体相的连续能带结构变成类似于分子的准分裂能级,使原来的 能隙变宽,即光吸收谱向短波方向移动,这就是量子尺寸效应。 当热能、 电场能或磁场能比平均的能级间距还小时,超微颗粒就会呈现一系列 与宏观物体截然不同的特性 ,客观表现为光谱线会向短波方向移动 , 催化活性变化。 3.半导体纳米材料的性质 3.13.1特殊的热学、 光学性质纳米粒子具有大的比表面积,表面原子 数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,小尺寸效应、表面效 应、 量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、 磁、 光、 敏感特性和表面稳定性不同于常规粒子。 纳米粒子的熔点低于体相材 料的熔点,这是由于纳米粒子表面原子占总原子数的比例大 ,表面原 子邻近配位不全,纳米粒子活性大而体积又远小于大块材料的粒子 , 熔化时所需增加的内能小得多。 3.2 光电化学性质对于电解质溶液中的半导体超微粒的悬浮液 体系,当光照到微粒上时,产生电子 2 空穴对,它们流向粒子表面,与 溶液中的氧化剂ox或还原剂red反应,生成相应的产物。 当 极化电势有利于氧化光致还原产物 ,则产生阳极光电流;当极化电势 有利于还原光致氧化产物,则可观察到阴极光电流。 4.半导体纳米材料的制备方法 4.1溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种用金属烷氧化物或金属 无机盐等前驱物在一定条件下水解成溶胶 ,缩聚成凝胶,再经溶剂挥 发或加热等方法处理而制成固体样品的方法。 这种方法可以达到分子 水平的一致性,具有工艺设备简单、成本低、产品纯度高、化学性质 均匀等优点。 4.2微乳液法微乳液是由油、水、乳化剂和助化剂组成各相同 性,热力学稳定的透明或半透明胶体分散体系 ,其分散相尺寸为纳米 级。 微观上由表面活性剂界面膜所稳定的微乳液制备超细颗粒的特点 在于粒子表面包有一层表面活性剂分子,使粒子间不易聚结;通过选 择不同的表面活性剂分子可对粒子表面进行修饰,并控制微粒的大小。 制备纳米粒子的微乳液往往是 W/O型体系,该体系的水核是一个 “微型反应器” 。 4.3模板法模板法合成纳米材料是 20世纪 90年代发展起 来的前沿技术。模板是指含有高密度的纳米柱形孔洞,厚度为几十至 几百微米厚的膜。常用的模板有有序孔洞阵列氧化铝模板、含有孔 洞无序分布的高分子模板、纳米孔洞玻璃等模板。 5.纳米材料的主要应用 借助于纳米材料的各种特殊性质， 科学家们在各个研究领域都取得 了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。 5.1在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足 轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多 数传统的催化剂不仅催化效率低， 而且其制备是凭经验进行， 不仅造 成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污 染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米 粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不 能进行的反应也能进行。 纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度 提高 10～15 倍。 纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂， 非凡是在有机 物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒， 可近似地看成是一 个短路的微型电池， 用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时， 半导体纳米粒子吸收光产生电子空穴对。 在电场作用下，电子与 空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置， 与溶液中相似的组分进 行氧化和还原反应。 5.2在生物医学中应用从蛋白质、 DNA、RNA 到病毒，都在 1-100nm 的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细 胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械” ， 细胞就象一个个 “纳米车间” ， 植物中的光合作用等都是 “纳米工厂” 的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确， 神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。 参考文献 [1]吴晓春,汤国庆,张桂兰,等.表面包覆的 SnO2 纳米 微粒的红外振动特征[J].光学学报,1995. [2]刘成林,李远光,顾建华,等复合超微粒子有序组装 的研究[J].半导体杂志,1997 [3］ 李守田,赵家龙,邹炳锁,等.微乳状液中超微粒制备 与光学性质研究[J].半导体学报,1993 [4]徐大鹏,徐正.纳米管有序阵列的制备和表征 .无 机化学学报,2002 [5]平贵臣,杜滨阳,王丽颖,纳米微粒有序组装体系的 制备与结构研究[J].光散射学报,2000 [6]倪永红,葛学武,刘华蓉,等.硫化银纳米晶的γ 射线制备[J].高等化学学报,2002 ［7]牛今书,刘艳丽,徐甲强.室温固相合成纳米及其气敏 性能研究[J].无机材料学报,2002 [8]李文戈,戴洁,卞国庆,等.合成纳米材料的新方法 [J].化学世界,2002