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