|
№ образца
Прекурсоры и растворители
Zn(NO
3
)
2
*6H
2
O, мг
ТЭОС, мкл CTAB, мг
C
3
H
8
O, мл
H
2
O, мл
1
237
45
1
6,12
̶
2
5
3
15
4
30
6
50
7
75
8
100
9
150
10
̶
30
̶
6,12
Таблица 2.3. – Гидротермальный синтез. Ростовые ростворы.
№
образца
Прекурсоры и растворители
Zn(NO
3
)
2
*6H
2
O, мМ
(CH
3
COO)
2
Zn*2H
2
O, мМ
HMTA,
мМ
CTAB,
мМ
H
2
O, мл
1
25
25
100
2
3
4
6
7
8
9
10
10
10
1
80
На рисунке 2.16 представлены данные оптической микроскопии, полученных
золь-гель методом образцов. Раствор наносился на кремниевые подложки сразу же
после формирования золя.
69
0,02%
0,2%
0,3 %
0,6 %
1 %
1,5 %
70
2 %
3 %
Рисунок 2.16 – Влияние концентрации СТАВ на морфологию полученных образцов
Из рисунка 2.16 видно, что формирование нанокомпозита на основе ZnO
происходит вокруг структурированных мицелл темплата, которым служит СТАВ.
Так, в растворе при превышении критической концентрации мицеллообразования
СТАВ образуются сферические мицеллы, особенно это заметно при концентрациях
СТАВ равными 0,2%, 0,3% и 0,6% (массовые доли). При повышении концентрации
ПАВ мицеллы приобретают цилиндрическую форму (1,5%, 2%). При дальнейшем
увеличении ПАВ в растворе не только изменяется форма и увеличивается размеры
мицелл, но и происходит их активное объединение в один большой кластер. Для
удаления ПАВ и кристаллизации оксида цинка применялся отжиг на воздухе при
температуре 500
о
С.
Далее было проведено формирование структуры оксида цинка без добавления
источника диоксида кремния (ТЭОС) в раствор (рисунок 2.17). А также, была
изменена среда со спиртовой на водную.
71
а)
б)
Рисунок 2.17. – Формирование наноструктуры ZnO (обр.№11) а) зародышевый слой,
б) выращенные на зародышевом слое наностержни
На полученном подслое (образец № 10) были выращены наностержни оксида
цинка. Для увеличения скорости роста и минимизации образования зародышей в
растворе было решено использовать видоизмененный ростовой раствор с
меньшими соотношениями прекурсора оксида цинка и НМТА, а также с
добавлением ПАВ (СТАB) (рисунок 2.18).
а)
б)
Рисунок 2.18. – РЭМ - изображения наноструктур ZnO (обр.№11) с разрешением
а) 300 мкм; б) 5 мкм
Из анализа совокупности изображений видно (рисунок 2.17-2.18), что
структура представляет собой достаточно крупные образования кластеров
72
размером от десятков до сотен микрометров, состоящих из сферических частиц.
Модель роста фрактальных агрегатов в золе относится к модели диффузионно-
лимитируемой агрегации, согласно которой агрегационные явления возникают в
результате подавления в локальной области дальнодействующих сил отталкивания
между частицами золя, которые совершают хаотическое движение в растворе. Это
приводит к росту агрегата за счет присоединения к агрегату очередной частицы в
результате столкновения.
Как видно из рисунка 2.18, в результате адсорбции на медленнорастущих
гранях ZnO молекул СТАВ, из единого центра формируются отдельно стоящие
друг от друга наностержни. Длина полученных наностержней ZnO приблизительно
равнялась 1 мкм, а ширина варьировалась от 50 до 200 нм. Для подтверждения
данной теории был проведен такой же синтез на образце №4, полученным золь-
гель методом с концентрацией СТАВ равной 30 мг (рисунок 2.19).
а)
б)
Рисунок 2.19. – РЭМ - изображения наноструктур ZnO при 4-х часовом синтезе с
разрешением: а) 5 мкм; б) 2 мкм
Для формирования игольчатых наностержней длиной до 2 мкм в раствор 40
мМ гексагидрата нитрата цинка и 40 мМ HMTA добавляли 4 мМ аммиачной воды
NH
3
*H
2
O. Далее образцы выдерживались в термостате в течение 4 (рисунок 2.19)
и 6 часов (рисунок 2.20) при стандартной температуре синтеза (85 °С). В результате
73
были получены игольчатые шаровидные структуры размером до 2 мкм в длину
(рисунок 2.19, 2.20).
а)
б)
Рисунок 2.20 – РЭМ - изображения наноструктур ZnO при 6-и часовом синтезе
с разрешением: а) 5 мкм; б) 20 мкм
При увеличении времени синтеза на 2 часа длина стержней увеличивается
примерно на 200 нм. При этом, в обоих случаях, формируются идентичной формы,
а также, гораздо большего размера наноструктуры ZnO, выпавшие из раствора на
подложку. Толщина таких стержней достигает порядка 1 мкм, а длина чуть меньше
2 мкм. Также, на рисунке 2.19 (слева) заметна часть икс-образной структуры,
сформированной в результате золь-гель синтеза. Данный эксперимент показывает,
что использование СТАВ в качестве поверхностно-активного вещества,
ограничивает рост наноструктур путем пассивации поверхности. Также наличие
ПАВ приводит к формированию «отдельно» растущих из единого центра
нанокристаллов ZnO с ярко выраженной огранкой.
Do'stlaringiz bilan baham: |
