ZnO材料的设计合成与性质研究

韩素平，姜 斌，周水清，白紫兰，孙晓晶，邢宪荣，刘俊宁

(山东医学高等专科学校，山东 济南 250002)

纳米ZnO材料由于具有良好的荧光性、抗菌性、非迁移性、化学稳定性等优异性能，使其在医疗、陶瓷、化工、环保等领域展现出广阔的应用前景[1-3]。目前ZnO的制备方法有水热法、电化学沉积法、气相沉积法、溶胶-凝胶法等，其中水热法因制备过程简单、产品结晶度高和产品形貌易于控制等优点而成为常用的制备方法[4-6]。水热法制备纳米材料的过程中，作为传媒剂的水处于高温高压状态，可明显加快反应速率[7-8]，易于实现以较低的成本规模化制备ZnO纳米材料[9]。

纳米材料微观形貌的差异会导致其宏观性能的不同，可以通过调节外部生长环境来调控纳米材料的形貌和结构。水热法制备ZnO纳米材料的过程中，源材料的选取、反应的温度、表面活性剂的选用等条件都会影响所制备材料的结构形貌特征[5]。本研究以硝酸锌和氢氧化钠为原料，用水热法在180 ℃时反应6 h制备了形貌良好的棒状ZnO纳米材料。通过加入表面活性剂和改变反应温度实现ZnO纳米棒的可控生长，进而调控其光学性能，以期为ZnO纳米材料在发光材料中的应用研究提供参考。

1 实 验

1.1 仪器和试剂

硝酸锌、氢氧化钠、乙醇、十二烷基苯磺酸钠均为分析纯，均来自国药试剂。

X射线多晶衍射仪，德国布鲁克公司；环境扫描电子显微镜，荷兰FEI公司；荧光分光光度计，美国 VARIAN公司；101A-1型电热恒温鼓风干燥箱，山东向阳仪器厂。

1.2 ZnO材料的制备

0.9001 g Zn(NO3)2用20 mL乙醇溶解，然后加入0.3725 g十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，充分搅拌使SDBS溶解并混匀。配制0.35 mol/L的NaOH溶液，将20 mL NaOH溶液缓慢加入上述乙醇溶液中，混匀并转移到反应釜中，180 ℃条件下反应6 h。冷却至室温后，分别用蒸馏水、无水乙醇洗涤沉淀并过滤，产品在90 ℃干燥箱中干燥3 h。

1.3 ZnO材料的鉴定和表征

用X-射线衍射仪和环境扫描电子显微镜对制备的ZnO材料进行表征和分析，用荧光分光光度计对ZnO材料的光致发光性能进行研究。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射分析

从产物的X射线衍射(XRD)图(图1)可以看出，所有的衍射峰与ZnO标准卡片(JCPDS卡号89-0511)的衍射峰一一对应，2θ为31.8°、34.4°、 36.3°、47.5°、56.6°、62.9°、66.4°、67.9°、69.1°、72.6° 和 77.0°分别对应(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201)、(004)和(202)的晶面，证明产物为六方系纤锌矿结构的ZnO，所属空间群为P63/mc，晶格常数为:a=0.3249 nm, c=0.5205 nm。图中衍射峰峰形良好且没有杂质峰，说明所得样品的结晶度较好。

图1 ZnO的XRD图

2.2 环境扫描电镜分析

180 ℃恒温水热法制备所得ZnO材料的ESEM图如图2a所示，从图2a中可以看出产物ZnO大部分呈六棱柱状结构，这符合ZnO六方纤锌矿结构自组装成纳米棒的结果。实验所得纳米棒长约500～700 nm，直径约40～170 nm，形貌良好。120 ℃条件下，反应所得产物是无规则的ZnO颗粒中掺杂着直径约为370～500 nm的棒状结构的ZnO(图2b)。90 ℃条件下，产物的形貌不规则(见图2c)。通过以上对比分析发现：提高温度利于ZnO纳米棒生长，随着温度的升高，实验得到了直径较均匀生长更加良好的ZnO纳米棒。

图2 不同温度下制备的ZnO的ESEM图

不添加表面活性剂SDBS的反应条件下，实验得到了团聚在一起不规则颗粒状的ZnO材料，虽然材料中也掺杂有棒状ZnO，但其形貌远不如添加SDBS时产物的形貌好，可见SDBS的添加明显有利于ZnO纳米棒的生长。ZnO纳米材料制备的过程中加入表面活性剂SDBS可在ZnO前驱体表面起到空间位阻作用，减少粒子的团聚，有助于对纳米粒子的尺寸和形貌进行调控[10]。

2.3 光致发光(PL)分析

PL谱图中位于紫外区域的峰强度不仅可以体现出载流子复合的速率，还可以反应晶体的结晶状况。峰强度越大，载流子复合的速率越高，晶体的质量越好。对90 ℃、120 ℃和180 ℃条件下制备的ZnO纳米材料进行了光致发光测试，PL谱图如图3所示。从图3中可以看出，随着反应温度的升高，所制备的ZnO纳米材料在波长为275 nm处的光致发光强度增强，而在波长为280～325 nm和345～380 nm区域的宽带峰强度则无明显变化。说明水热法制备得到的ZnO纳米棒有良好的结晶性，且温度的改变影响ZnO纳米棒的形貌和结构，进而可以调控其光学性能。

图3 不同温度下制备的ZnO的PL谱图

3 结 论

本研究用水热法制备了形貌良好的ZnO纳米棒，以XRD和ESEM表征其形貌和结构，并用光致发光分析探究不同形貌ZnO材料的光学性能。

在加入表面活性剂SDBS的条件下，水热法180 ℃反应6 h制备所得ZnO纳米棒长约500～700 nm，直径约40～170 nm。研究表明，添加表面活性剂SDBS、提高反应温度对棒状ZnO纳米材料的生长及其发光性能均有利。这些结果为进一步优化ZnO纳米棒的结构，实现ZnO纳米的可控生长，提供了有效参考，也为其在发光材料中的应用研究提供有效借鉴。