开题报告
之
纳米氧化锌
组长：
成员：
2013-12-6
主要内容
简介 分类 合成方法 应用 现状与发展
第三代半导体材料 禁带宽度：3.37eV 纯氧化锌是 N型半导体 ZnO的激子束缚 能为60meV
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
•
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。
3. 纳米zno结构现状的研究
4. 我国纳米zno的生产现状 5. 纳米zno目前存在的问题 6. 纳米zno未来的发展方向
1.纳米zno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 机械粉碎法 深度塑形变形法
物理法
2.纳米zno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 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
•半导体性能
4.我国纳米zno的生产现状
生产企业
陕西中科纳米材料股份有限公 司 山西丰海纳米科技有限公司 豫光金铅集团 成都汇丰化工厂
纳米ZnO粉体（零维） 纳米ZnO阵列（一维） 纳米ZnO薄膜（二维） 纳米ZnO晶体（三维）
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 气相法可分为物理气相沉积法、脉冲激光沉 得到前驱物，再加热分解得到纳米氧 积法、化学气相传输氧化法等。气相生长法 化锌粉末。 制得的纳米氧化锌粒径小、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。
直接沉淀法 均匀沉淀法 水热合成法 溶胶——凝胶法 超声波合成法 喷雸热分解法
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。
水热法制纳米粉
掺杂物质 混合溶液 蒸干多余硝酸 六水合硝酸锌 搅拌均匀 硝酸
乙醇胺 透明溶液
聚乙二醇 反应釜反应 离心、分离
退火
纳米ZnO粉体（零维） 纳米ZnO阵列（一维） 纳米ZnO薄膜（二维） 纳米ZnO晶体（三维）
模板法、化学气相沉积法、 微波法、溶液法
水热法制纳米氧化锌阵列
乙酸锌 乙醇
混合溶液
清洗基片 涂布甩膜 烘干 晶种 水浴加热 高温退火 纳米ZnO阵列 硝酸锌
4 橡胶、涂料工业
橡胶工业
橡胶工业是氧化锌消费的大户。高速耐 磨的橡胶制品,如飞机轮胎、高级轿车用的 轮胎等就是使用ZnO 做填充料,它能使橡胶 制品抗摩擦着火,使用寿命长,难以老化。目 前,普通氧化锌已逐渐被活性ZnO 取代。
纳米zno的现状和发展
1. 纳米zno制备方法现状的研究 2. 纳米zno的生产应用
3 陶瓷和玻璃工业
玻璃工业
纳米ZnO 对紫外线吸收率可达95 %以上,却 可透过大于或等于85 %的可见光。因此,可 以用于汽车玻璃和建筑用玻璃,这种含纳米 ZnO 的玻璃在屏蔽紫外线的同时,还可以杀 菌,从而也是自洁玻璃。
4 橡胶、涂料工业
涂料工业
借助于传统的涂层技术,添加纳米材料,可迚 一步提高涂料防护能力,实现防紫外线照射 、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, 可作 为涂料的抗老化添加剂。
相染料敏化太阳能电池 场效应管
ZnO具有良好的稳定性、高热导率、小 介电常数、低电子亲和势、高迁秱率和 高击穿电压,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
荧光体
纳米ZnO 是在低压电子射线下唯 一可发荧光的物质,光色为蓝色和 红色 。
隐身技术
隐身技术———雷达波吸收材料 雷达波吸收材料(简称吸波材料) 指 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。利用等离子共 振频秱随颗粒尺寸变化的性质,可以 改变颗粒尺寸,控制吸收边的位秱,制 造具有一定频宽的微波吸收纳米材料
HMT
纳米ZnO粉体（零维） 纳米ZnO阵列（一维） 纳米ZnO薄膜（二维） 纳米ZnO晶体（三维）
模板法、化学气相沉积法、 微波法、溶液法 分子束外延法（MBE）；金属有机物 化学气相沉积法（MOCVD）；激光脉 冲沉积法（PLD）；喷雾热分解法（ SP）；磁控溅射法（MS) 非晶晶化法、球磨法
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。
纳米氧化锌材料的分类
按结构形 式分
零· 一维形 式
2 纺织和日化工业
医药级纳米氧化锌
纳米氧化锌具有温和收敛及杀菌 作用，可用于以下皮肤疾病及感 染治疗：如湿疹﹑小脓疹 (impetigo)、轮癣（Ingworm ）、静脉肿性溃疡、搔痒症及乾 癣(Psoriasis)。
3 陶瓷和玻璃工业
陶瓷工业
加有纳米ZnO 的陶瓷制品具有抗菌 除臭和分解有机物的自洁作用,且降 低了陶瓷的烧成温度,覆盖力强,使陶 瓷制品光亮如镜。经过纳米氧化锌 抗菌处理过的产品可制浴缸、地板 砖、墙壁、卫生间及桌石。
a.岩盐矿结构 b.闪锌矿结构 c.六方纤锌矿 结构
体积效应 表面效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应
界面相关效应
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。
二· 三维形 式
复合形式
零维形式
• 金属氧化物粉末如氧化锌、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350～ 400nm（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。
2 纺织和日化工业
纳米氧化锌无毒、无味,对皮肤无刺激性 ,丌分解,丌变质,热稳定性好,本身为白色。且 纳米氧化锌在阳光或紫外线照射下,在水和 空气(氧气) 中,能自行分解出自由秱动的带 负电的电子(e - ) ,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 活性氧,有极强的化学活性,能不多数有机物 发生氧化反应(包括细菌在内的有机物) ,从 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,对UVA (长波320～400 nm) 和UVB (中波280～320 nm) 均有屏 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 以及防晒剂和抗菌剂。
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465～ 520nm 的蓝-绿可见 发光带主要是氧化锌 的深能级缺陷引起的 。
目的：改善性能
纳米氧化锌的应用
主要应用
1 电子、光伏工业
2 纺织、日化工业
3 玻璃、陶瓷工业
4 橡胶、涂料工业
1 电子光伏产业 4 橡胶、涂料工业 3 玻璃陶瓷工业 2 纺织、日化工业 2 纺织、日化工业
1 电子光伏产业 4 橡胶、涂料工业 3 玻璃陶瓷工业 2 纺织、日化工业 2 纺织、日化工业
用于制作气敏材料
压电性能 光学性能 气敏特性 电学性能 催化性能
杂质： 稀土、铝、锡、氮、铜、银
纳米氧化锌材料的分类
按制备方 法
固相法
液相法
气相法
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
用于制作压电器件
1 电子光伏产业
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染料敏化太阳能电池
场效应管
ZnO拥有宽禁带、高激子束缚能、高 强度、高硬度和比TiO2 更大的电子 迁秱率,使得它很适合于DSSC。并且 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 秱到导电玻璃上，所以用一维纳米氧 化锌阵列替代TiO2可以在很大程度 上提高电子的传输效率
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。