1、纳米氧化锌2022-4-16开题报告之组长：组长：成员：成员：2主要内容简介分类合成方法应用现状与发展3氧化锌简介第三代半导体材料第三代半导体材料 禁带宽度：禁带宽度：3.37eV纯氧化锌是纯氧化锌是N型半导体型半导体 又称宽禁带半导体或高温半导体 SiC,GaN,ZnO,AlN,金刚石 很多优异的性能 晶体中有填隙原子Zn和氧空位缺陷， 锌是浅能级缺陷氧空位是神能级缺陷ZnO的激子束缚的激子束缚能为能为60meV4氧化锌结构a.岩盐矿结构b.闪锌矿结构c.六方纤锌矿结构5氧化锌性能n 体积效应体积效应n 表面效应表面效应n 量子尺寸效应量子尺寸效应n 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应n 界面
2、相关效应界面相关效应n 介电限域效应介电限域效应微粒分散在异质介质中由于界面能的存在,引起体系介电性能增强的现象。当微粒的折射率和介质的折射率相差很大,微粒表面和内部的场强比入射场强显著增加,引起的局部场强增加的现象就是介电限域效应。这种纳米微粒的介电限域效应对材料的光吸收、光学非线性、光化学性能等有非常重要的影响。6其晶格中可能产生的本征点缺陷有6 种：氧空位、锌空位、反位氧、反位锌、氧填隙以及锌填隙。从能级角度分类，点缺陷可分为浅能级缺陷和深能级缺陷， 其中深能级对氧化锌的光学性质影响较大。研究认为， 位于465520nm 的蓝-绿可见发光带主要是氧化锌的深能级缺陷引起的。氧化锌发光7氧化
3、锌掺杂压电性能 光学性能 气敏特性 电学性能 催化性能目的：改善性能杂质： 稀土、铝、锡、氮、铜、银8纳米氧化锌材料的分类按制备方法固相法液相法气相法9固相法固相法 固相法：是将金属盐或金属氧化物按一定比例充分混合、研磨后进行煅烧, 通过发生固相反应直接制得纳米粉末。 优缺点：运用固相法制备纳米ZnO 具有操作和设备简单安全, 工艺流程短等优点, 所以工业生产前景比较乐观, 其不足之处是制备过程中容易引入杂质, 纯度低, 并且容易使金属氧化, 颗粒不均匀以及形状难以控制10液相法液相法 液相法：制备纳米微粒是将均相溶液通过各种途径使溶质和溶剂分离, 溶质形成一定形状和大小的颗粒, 得到所需粉末
4、的前驱体, 热解后得到纳米微粒。 优缺点：液相法具有设备简单、原料容易获得、纯度高、均匀性好、化学组成易于控制等优点。液相法包括沉淀法、水解法、水热法、微乳液法、溶胶- 凝胶法等, 其中应用最广的是溶胶- 凝胶法和沉淀法。11气相法气相法 气相法：指直接利用气体或者通过各种手段将物质变为气体, 使之在气体状态下发生物理或化学反应, 最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。 气相法包括溅射法、化学气相反应法、化学气相凝聚法、等离子体法、激光气相合成法、喷雾热分解法等。12纳米氧化锌材料的分类纳米氧化锌材料的分类按结构形式分零一维形式二三维形式复合形式13零维形式零维形式 金属氧化物粉末如氧化
5、锌、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝及氧化镁等，将这些粉末制成纳米级时，由于微粒之尺寸与光波相当或更小时，由于尺寸效应导致使导带及价带的间隔增加，故光吸收显著增强。各种粉末对光线的遮蔽及反射效率有不同的差异。以氧化锌及二氧化钛比较时，波长小于350纳米（UVB）时，两者遮蔽效率相近，但是在350400nm（UVA）时，氧化锌的遮蔽效率明显高于二氧化钛。同时氧化锌（n=1.9）的折射率小于二氧化钛（n=2.6），对光的漫反射率较低，使得纤维透明度较高且利于纺织品染整。14一维形式一维形式 目前,ZnO 一维纳米材料及其纳米结构的合成方法主要有化学气相沉积、基于VLS 机理的催化生长以及磁控溅射法等
6、气相法以及模板辅助合成、电化学沉积 和溶液生长等液相法。与设备昂贵且能耗高的气相法相比,液相法合成ZnO 一维纳米材料具有设备简单以及合成温度低的特点。其中,不需借助任何模板、表面活性剂以及外加电场的溶液生长法更是具有容易调控材料尺寸、成本低且便于大规模化的优势 。因此,近年来,溶液生长ZnO 一维纳米材料并构筑其复合纳米结构的研究成为了国际热点研究课题15二维形式二维形式 薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。薄膜所具有的这些优异特性，使其在表面声波器件、太阳能电池等诸多领域得到了广泛应用。随着 光泵浦紫外受激辐射的获得和_ 型掺杂的实现，
7、 薄膜作为一种新型的光电材料，在紫外探测器、 等领域也有着巨大的发展潜力。16三维形式三维形式 自从报导用热蒸发法合成了ZnO 纳米晶粒自组装的多面笼、球壳结构以来, 许多研究人员相继报导了各自在不同的实验条件下用热蒸发法合成的ZnO 微纳米空心球结构。合成的ZnO 纳米晶粒自组装的多面笼、球壳的SEM图像, 是Lu和L iao等人合成的内外表面生长有纳米线的ZnO 空心微球的SEM图像17复合形式复合形式 纳米氧化锌的导热性能明显优于炭黑和白炭黑等传统补强填料,其对EPDM具有较好的补强作用,纳米氧化锌/EPDM复合材料的生热较低;采用偶联剂Si69对纳米氧化锌进行原位改性可以改善纳米氧化锌
8、粒子与EPDM间的界面作用,提高其分散性,从而显著提高复合材料的物理性能,降低生热;改性纳米氧化锌/EPDM复合材料的物理性能和导热性能良好,可用于动态工况下使用的橡胶制品。 18n 纳米纳米ZnO粉体（零维）粉体（零维）n 纳米纳米ZnO阵列（一维）阵列（一维）n 纳米纳米ZnO薄膜（二维）薄膜（二维）n 纳米纳米ZnO晶体（三维）晶体（三维）固相法、气相法、液相法。固相法、气相法、液相法。固相法制备纳米氧化锌的原理是将两种物质分别研磨、混合后，充分研磨得到前驱物，再加热分解得到纳米氧化锌粉末。气相法可分为物理气相沉积法、脉冲激光沉积法、化学气相传输氧化法等。气相生长法制得的纳米氧化锌粒径小
9、、产品分散性好，反应条件易控制，易得到均匀超细粒子，缺点是产物中有原料残存，工艺技术较复杂，成本高，一次性投资大。19n 直接沉淀法直接沉淀法n 均匀沉淀法均匀沉淀法n 水热合成法水热合成法n 溶胶溶胶凝胶法凝胶法n 超声波合成法超声波合成法n 喷雾热分解法喷雾热分解法沉淀物颗粒晶型成整且致密，避免了杂志的共沉淀，粒子的粒径分布均匀，分散性好。反应条件温和，易于洗涤，工业前景好，但由于Zn(OH)2的两性，PH必须维持在狭小的范围内。20六水合硝酸锌六水合硝酸锌掺杂物质掺杂物质混合溶液混合溶液 蒸干多余硝酸蒸干多余硝酸 搅拌均匀搅拌均匀乙醇胺乙醇胺透明溶液透明溶液退火退火反应釜反应反应釜反应聚
10、乙二醇聚乙二醇硝酸硝酸离心、分离离心、分离水热法制纳米粉水热法制纳米粉21n 纳米纳米ZnO粉体（零维）粉体（零维）n 纳米纳米ZnO阵列（一维）阵列（一维）n 纳米纳米ZnO薄膜（二维）薄膜（二维）n 纳米纳米ZnO晶体（三维）晶体（三维）模板法、化学气相沉积法、微模板法、化学气相沉积法、微波法、溶液法波法、溶液法22清洗基片清洗基片乙酸锌乙酸锌混合溶液混合溶液涂布甩膜涂布甩膜烘干烘干晶种晶种水浴加热水浴加热纳米纳米ZnO阵列阵列高温退火高温退火硝酸锌硝酸锌混合溶液混合溶液HMT乙醇乙醇水热法制纳米氧化锌阵列水热法制纳米氧化锌阵列23n 纳米纳米ZnO粉体（零维）粉体（零维）n 纳米纳米Zn
11、O阵列（一维）阵列（一维）n 纳米纳米ZnO薄膜（二维）薄膜（二维）n 纳米纳米ZnO晶体（三维）晶体（三维）分子束外延法（分子束外延法（MBEMBE）；金属有机物）；金属有机物化学气相沉积法（化学气相沉积法（MOCVDMOCVD）；激光脉）；激光脉冲沉积法（冲沉积法（PLDPLD）；喷雾热分解法（）；喷雾热分解法（SPSP）；磁控溅射法（）；磁控溅射法（MS)MS)模板法、化学气相沉积法、微模板法、化学气相沉积法、微波法、溶液法波法、溶液法非晶晶化法、球磨法非晶晶化法、球磨法24纳米氧化锌的应用25主要应用1 电子、光伏工业电子、光伏工业2 纺织、日化工业纺织、日化工业3 玻璃、陶瓷工业玻璃
12、、陶瓷工业4 橡胶、涂料工业橡胶、涂料工业26 气敏传感器及压电材料 太阳能电池和场效应管 荧光体和 隐身技术1 电子光伏产业电子光伏产业2 纺织、日化工业纺织、日化工业3 玻璃陶瓷工业玻璃陶瓷工业4 橡胶、涂料工业橡胶、涂料工业 2 纺织、日化工业纺织、日化工业27 n 用于制作气敏材料用于制作气敏材料n 用于制作压电材料用于制作压电材料纳米纳米ZnO 的传感原理是利用的传感原理是利用其电学性能其电学性能,利用其电阻随周利用其电阻随周围气氛中气体组成的改变而改围气氛中气体组成的改变而改变的特点变的特点,用于对气体进行定用于对气体进行定性和定量测定、制备气体报警性和定量测定、制备气体报警器和温
13、度计等。器和温度计等。1 电子光伏产业电子光伏产业2 纺织、日化工业纺织、日化工业3 玻璃陶瓷工业玻璃陶瓷工业4 橡胶、涂料工业橡胶、涂料工业 2 纺织、日化工业纺织、日化工业28气敏传感材料及压电材料n 用于制作气敏传感器用于制作气敏传感器ZnO 是一种既具半导体性能又有是一种既具半导体性能又有压电性能的新型材料，这一优点使压电性能的新型材料，这一优点使得得ZnO 具备一些其他材料无可比拟具备一些其他材料无可比拟的独特功能。近年来应用的独特功能。近年来应用ZnO 制备制备了一种新兴器件了一种新兴器件纳米发电机。纳米发电机。n 用于制作压电器件用于制作压电器件291 电子光伏产业电子光伏产业
14、气敏传感器及压电材料太阳能电池及场效应晶体管 荧光体及 隐形技术30ZnO拥有宽禁带、高激子束缚能、高拥有宽禁带、高激子束缚能、高强度、高硬度和比强度、高硬度和比TiO2 更大的电子更大的电子迁移率迁移率,使得它很适合于使得它很适合于DSSC。并且。并且一维纳米氧化锌是单晶，无晶界等对一维纳米氧化锌是单晶，无晶界等对传输电子的损耗，自由电子更容易漂传输电子的损耗，自由电子更容易漂移到导电玻璃上，所以用一维纳米氧移到导电玻璃上，所以用一维纳米氧化锌阵列替代化锌阵列替代TiO2可以在很大程度可以在很大程度上提高电子的传输效率上提高电子的传输效率n 染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池n 场效应管场
15、效应管31n 相染料敏化太阳能电池相染料敏化太阳能电池n 场效应管场效应管太阳能电池和场效应管ZnO具有良好的稳定性、高热导率、小具有良好的稳定性、高热导率、小介电常数、低电子亲和势、高迁移率和介电常数、低电子亲和势、高迁移率和高击穿电压高击穿电压,非常适合作为场发射阴极材非常适合作为场发射阴极材料。已成功应用于制作场效应晶体管料。已成功应用于制作场效应晶体管32n 荧光体荧光体n 隐身技术隐身技术纳米纳米ZnO 是在低压电子射线下唯是在低压电子射线下唯一可发荧光的物质一可发荧光的物质,光色为蓝色和光色为蓝色和红色红色 。隐身技术隐身技术雷达波吸收材料雷达波吸收材料雷达波吸收材料雷达波吸收材料
16、(简称吸波材料简称吸波材料) 指指能有效地吸收入射雷达波并使其入能有效地吸收入射雷达波并使其入射衰减的一类功能材料。利用等离射衰减的一类功能材料。利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质子共振频移随颗粒尺寸变化的性质,可以改变颗粒尺寸可以改变颗粒尺寸,控制吸收边的位控制吸收边的位移移,制造具有一定频宽的微波吸收纳制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料米材料332 纺织和日化工业纺织和日化工业 纳米氧化锌无毒、无味纳米氧化锌无毒、无味,对皮肤无刺激性对皮肤无刺激性,不分解不分解,不变质不变质,热稳定性好热稳定性好,本身为白色。且本身为白色。且纳米氧化锌在阳光或紫外线照射下纳米氧化锌在阳光或紫外线照射下
17、,在水和在水和空气空气(氧气氧气) 中中,能自行分解出自由移动的带能自行分解出自由移动的带负电的电子负电的电子(e - ) ,同时留下带正电的空穴同时留下带正电的空穴( H+ ) 。这种空穴可以激活空气中的氧变为。这种空穴可以激活空气中的氧变为活性氧活性氧,有极强的化学活性有极强的化学活性,能与多数有机物能与多数有机物发生氧化反应发生氧化反应(包括细菌在内的有机物包括细菌在内的有机物) ,从从而把大多数病菌和病毒杀死。纳米氧化锌吸而把大多数病菌和病毒杀死。纳米氧化锌吸收紫外线的能力强收紫外线的能力强,对对UVA (长波长波320400 nm) 和和UVB (中波中波280320 nm) 均有屏
18、均有屏蔽作用。可用于制造长期卧床病人和医院的蔽作用。可用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘及厕所消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘及厕所以及防晒剂和抗菌剂。以及防晒剂和抗菌剂。342 纺织和日化工业纺织和日化工业食品级纳米氧化锌食品级纳米氧化锌在合于优良制造过程或喂食过程前提下，一般被在合于优良制造过程或喂食过程前提下，一般被认为安全的食物添加物。锌广泛存在于活体中，认为安全的食物添加物。锌广泛存在于活体中，也是人体含量最多的微量金属元素，所有生物皆也是人体含量最多的微量金属元素，所有生物皆需要锌，而锌是所有细胞成分之一，以作为许多需要锌，而锌是所有细胞成分之一，以作为许
19、多基本酵素系统的共同因子（基本酵素系统的共同因子（Cofactor）。每天锌）。每天锌需求量成人建议要有需求量成人建议要有15mg，而哺乳中母亲则要，而哺乳中母亲则要有有25mg。纳米氧化锌因其粒径细度为纳米级别。纳米氧化锌因其粒径细度为纳米级别，更容易被人体吸收。，更容易被人体吸收。 同时纳米氧化锌具有广谱（同时纳米氧化锌具有广谱（UVA和和UVB）的）的抗紫外线能力和抗菌、杀菌功能。加入到食品中抗紫外线能力和抗菌、杀菌功能。加入到食品中可以抗菌、杀菌、保持食品新鲜，延缓食物变质可以抗菌、杀菌、保持食品新鲜，延缓食物变质。352 纺织和日化工业纺织和日化工业医药级纳米氧化锌医药级纳米氧化锌纳
20、米氧化锌纳米氧化锌具有温和收敛及杀菌具有温和收敛及杀菌作用，可用于以下皮肤疾病及感作用，可用于以下皮肤疾病及感染治疗：如湿疹小脓疹染治疗：如湿疹小脓疹(impetigo)、轮癣（、轮癣（Ingworm）、静脉肿性溃疡、搔痒症及乾）、静脉肿性溃疡、搔痒症及乾癣癣(Psoriasis)。363 陶瓷和玻璃工业陶瓷和玻璃工业 陶瓷工业陶瓷工业加有纳米加有纳米ZnO 的陶瓷制品具有抗菌的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有机物的自洁作用除臭和分解有机物的自洁作用,且降且降低了陶瓷的烧成温度低了陶瓷的烧成温度,覆盖力强覆盖力强,使陶使陶瓷制品光亮如镜。经过纳米氧化锌抗瓷制品光亮如镜。经过纳米氧化锌抗菌处理过的产
21、品可制浴缸、地板砖、菌处理过的产品可制浴缸、地板砖、墙壁、卫生间及桌石。墙壁、卫生间及桌石。373 陶瓷和玻璃工业陶瓷和玻璃工业玻璃工业玻璃工业纳米纳米ZnO 对紫外线吸收率可达对紫外线吸收率可达95 %以上以上,却却可透过大于或等于可透过大于或等于85 %的可见光。因此的可见光。因此,可可以用于汽车玻璃和建筑用玻璃以用于汽车玻璃和建筑用玻璃,这种含纳米这种含纳米ZnO 的玻璃在屏蔽紫外线的同时的玻璃在屏蔽紫外线的同时,还可以杀还可以杀菌菌,从而也是自洁玻璃。从而也是自洁玻璃。384 橡胶、涂料工业橡胶、涂料工业 涂料工业涂料工业借助于传统的涂层技术借助于传统的涂层技术,添加纳米材料添加纳米材
22、料,可进可进一步提高涂料防护能力一步提高涂料防护能力,实现防紫外线照射实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等。纳米氧化、耐大气侵害和抗降解、变色等。纳米氧化锌可以明显地提高涂料的耐老化性能锌可以明显地提高涂料的耐老化性能, 可作可作为涂料的抗老化添加剂。为涂料的抗老化添加剂。 394 橡胶、涂料工业橡胶、涂料工业橡胶工业橡胶工业 橡胶工业是氧化锌消费的大户。高速耐橡胶工业是氧化锌消费的大户。高速耐磨的橡胶制品磨的橡胶制品,如飞机轮胎、高级轿车用的如飞机轮胎、高级轿车用的轮胎等就是使用轮胎等就是使用ZnO 做填充料做填充料,它能使橡胶它能使橡胶制品抗摩擦着火制品抗摩擦着火,使用寿命长使用寿
23、命长,难以老化。目难以老化。目前前,普通氧化锌已逐渐被活性普通氧化锌已逐渐被活性ZnO 取代。取代。40纳米纳米zno的现状和发展的现状和发展 纳米zno制备方法现状的研究 纳米zno的生产应用 纳米zno结构现状的研究 我国纳米zno的生产现状 纳米zno目前存在的问题 纳米zno未来的发展方向411.纳米纳米zno的制备方法现状研究的制备方法现状研究固相法，液相法，气相法化学法化学沉淀法溶液凝胶法微乳液法化学气相沉积法喷雾热解法固相合成法物理法机械粉碎法深度塑形变形法422.纳米纳米zno生产应用的研究生产应用的研究利用光学性能抗紫外线产品荧光产品制备太阳能电池应用表面涂料产品生物性能：医
24、药方面的杀毒，消菌，除臭等化学性能制造催化剂制造电池电极半导体性能图像记录材料气体传感器表面波器件压敏变阻器和电容器抗静电复合材料434.我国纳米我国纳米zno的生产现状的生产现状生产企业生产企业生产规模（千吨生产规模（千吨/年）年）陕西中科纳米材料股份有限公司3山西丰海纳米科技有限公司目前：5将来：30豫光金铅集团3成都汇丰化工厂0.5常泰公司100445.纳米纳米zno目前存在的问题目前存在的问题 我国纳米zno材料研究存在的问题： 研究单位多、面广，力量分散，低水平的重复性研究现象严重 纳米zno工业生产存在的关键问题： 尺寸、形貌和分布的控制；团聚体的控制与分散；表面的形态、缺陷、粗糙度、成分的控制，包括表面修饰和包裹；化学组分和微观结构的均匀性控制；纯度的控制；工艺稳定性、质量可重复性的控制；纳米材料的稳定性及保存、运输技术；环境保护等。453.纳米纳米zno结构方向的研究结构方向的研究zno结构方向研究zno纳米颗粒zno纳米棒（线，带，列阵）此外，还有纳米花，纳米盘，纳米椭圆等466.纳米纳米zno未来的发展研究方向未来的发展研究方向 制备原理，工业化生产的研究b.生产过程中影响因素的研究c.对产品的表面改性和产品应用进行研究 _ _ please give some questionsAny more information
