通过简单的湿化学法合成ZnO结构的形态控制

引言

氧化锌是最吸引人的半导体材料之一 ，因为它具有直接带隙、强发光、高热导率等特性。除此之外，它在不同技术领域(光学、光电子学、催化、压电、太阳能电池、超疏水表面、生物传感器等)都具有很大的潜力。

本文讲述了一种合成氧化锌颗粒的湿式化学方法。通过利用硝酸锌和各种沉淀剂，如氢氧化钾、氢氧化钠和(ch2)6n4，我们得到了不同形态的颗粒。此外，添加一种结构导向剂会导致氧化锌颗粒尺寸（对于氢氧化钾和氢氧化钠）的减少，并在(CH2)6N4的情况下导致氧化锌颗粒形状的变化。x射线衍射分析表明，所得样品均为纤锌岩结构。反射率和光致发光光谱已被用来研究氧化锌结构的光学性质。通过扫描电子显微镜观察到的有雪花状、花状、星状和双覆盆子状的结构。因此，本文提出了一种具有不同形态的氧化锌微/纳米结构的可能形成机制。该生物聚合物辅助结晶方法可以提供一种简便的方法来合成其他形态可控的化合物。

 实验

硝酸锌与不同的沉淀剂氢氧化钾、氢氧化钠和六亚甲基四胺发生化学反应生成氧化锌微晶。第一步，制备0.01 M Zn(NO3)2水溶液。在连续搅拌下将该溶液置于恒温槽中，当其达到90℃时加入0.01 M沉淀剂水溶液。白色的出现是氧化锌微晶形成的第一个证据。3小时后，通过离心收集白色粉末，用蒸馏水洗涤几次，并在室温下在滤纸上干燥。

接下来我们评估了镓对氧化锌形貌的影响。在保持所有其他反应参数不变的情况下，我们用0.01 %浓度的镓合成了氧化锌颗粒。通过离心分离制备的粉末。然后用蒸馏水洗涤沉淀物，并离心数次以溶解镓。最后，在室温下将白色粉末在空气中干燥。

结果和讨论

样品的结构用x光衍射进行了检验。如图1所示，所有观察到的衍射峰都属于氧化锌六方纤锌矿相。在所有样品的XRD图谱中，没有观察到任何分离相的特征峰，例如Zn(OH)2。必须注意的是，对于在存在GA的情况下合成的ZnO样品(曲线b、d和f)，衍射峰的宽度大于在不存在生物聚合物的情况下合成的ZnO微晶的衍射峰的宽度(曲线a、c和e)，这表明粒度变得稍微小了一些。此外，值得注意的是，与标准的氧化锌六方纤锌矿相比，当(CH2)6N4用作沉淀剂时，(100)峰的相对强度比(002)峰的相对强度强得多(曲线e)，这可能归因于氧化锌微晶的优先方向生长。

图1 在不存在GA (a，c，e)和存在GA(b，d，f)的情况下，由Zn(NO3)2和KOH、NaOH、(CH2)6N4制备的ZnO微晶的粉末XRD图

氧化锌合成过程中镓的存在或多或少会影响氧化锌机理的形成，这取决于用作反应物的沉淀剂。从扫描电镜图像可以观察到，在强碱性试剂(氢氧化钾和氢氧化钠)的情况下，当氢氧离子在水溶液中释放非常快时，镓仅轻微影响颗粒形状，而当弱碱如(CH2)6N4用作缓慢释放氢氧离子的稳定来源时，镓显著改变颗粒形状。在最后一种情况下，羟基离子的均匀释放与镓的存在相关，可以导致形成均匀尺寸的氧化锌结构。锌离子与镓链紧密结合，以这种方式，锌占据的位置可以成为微晶成核和初始生长的初始中心，微晶进一步聚集并最终形成氧化锌颗粒。

结论

通过简单的湿化学方法，使用不同的沉淀剂氢氧化钾、氢氧化钠和(CH2)6N4以及结构导向剂阿拉伯树胶，我们获得了具有复杂形貌的氧化锌结构，如雪花状、花状、星形和双覆盆子状。清晰而强烈的XRD衍射峰证明ZnO颗粒在纤锌矿结构中结晶良好。用反射光谱和光致发光光谱研究了氧化锌结构的光学性质。提出了氧化锌微/纳米结构形成的可能机制。预计关于如何使用阿拉伯树胶操纵氧化锌形态的信息可以容易地扩展到类似的氧化物半导体颗粒和其他多糖。不需要复杂设备的技术的简单性和廉价性以及原料试剂的可获得性是有利于该方法放大的优点。