不同改性过程对氧化锌薄膜的光学及亲水性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)安徽大学物理与材料科学学院 作者:朱旭

  采用溶胶-凝胶的方法在玻璃基片上制备了纳米ZnO薄膜,利用月桂酸钠、硅烷偶联剂对ZnO 薄膜进行改性以研究不同改性过程对ZnO薄膜光学及亲水性能的影响。利用接触角测试、扫描电镜、紫外可见光光度计、荧光光谱仪等方法研究了改性后的纳米氧化锌薄膜的微结构、光学性能及亲水疏水性等。结果表明,采用不同的改性剂或不同的改性剂并用体系可以使氧化锌薄膜表面的施主缺陷浓度不同,从而导致氧化锌薄膜的光学性能及表面亲水疏水性随改性过程的不同而呈现一定的变化规律。

  纳米ZnO 粒子尺寸小,比表面积大,具有明显的表面与界面效应、量子尺寸效应、体积效应等特点,使其在化学、光学、生物学等诸多方面表现出独特的物理和化学性能,广泛应用于导电材料、压电材料、橡胶工业等众多方面。但是纳米ZnO 易团聚、难分散,具有亲水疏油的特性,使氧化锌作为无机添加剂时,应用效率较低。近年来,采用表面改性剂对氧化锌表面改性以改变其表面性质的研究屡有报道。王国宏等应用月桂酸钠、硬脂酸等改性剂尝试对氧化锌进行改性,余丽娟等运用硅烷偶联剂对氧化锌进行改性,此类研究均在一定程度上改善了氧化锌的疏水特性。本文使用月桂酸钠、硅烷偶联剂及其并用体系对氧化锌薄膜进行改性,测试了改性剂对ZnO 薄膜材料的光学性能、亲水疏水性能的影响,并讨论了改性剂对纳米ZnO 薄膜性能的影响机制。

  1、实验部分

  1.1、主要试剂及仪器

  试剂:Zn(COOH)2,乙二醇甲醚,无水乙醇,乙醇胺,硅烷偶联剂( KH560) ,月桂酸钠,以上均为分析纯。

  仪器:磁力加热搅拌器,超声波清洗器,扫描电镜(SEM,S-4800,Hitachi) ,紫外可见光分度计(UV-2500,Shimadzu) ,匀胶机,接触角测试仪,荧光光谱仪(F-4500,Hitachi) 。

  1.2、ZnO 薄膜的制备

  分别选择Zn( COOH)2、乙二醇甲醚和乙醇胺作为前驱体、溶剂和稳定剂,按照如下方法配置溶胶。将一定量的Zn( COOH)2溶解于乙二醇甲醚中,再加入一定量的乙醇胺,水浴加热一定时间并不断搅拌,制得透明均匀的浅黄色胶体,陈化24 h。实验采用石英玻璃片为基底,以3000 r /min 的速度进行匀胶镀膜;得到的溶胶层在150℃热处理10 min,然后在600℃下退火2 h,得到氧化锌薄膜样品。

  1.3、表面改性

  分别配制浓度为0.1 mol /L 的KH560 和月桂酸钠的水溶液作为改性液。取10 ml 前述两种改性液中的一种改性液放入烧杯中,加入磁子,放入氧化锌薄膜样品,在磁力搅拌器上以50℃的温度恒温加热10min,取出薄膜用去离子水清洗,烘干,得到一次改性后的样品。若将此第一次改性的样品放入另一种改性液中采用同样过程改性10 min,则得到二次改性的样品。采用不同改性剂和不同改性次数下得到的5 种样品的标记方式在表1 中列出。

  1.4、ZnO 薄膜的表征和接触角的测定

  用接触角测试仪对样品表面进行接触角的测量,用SEM 对薄膜的形貌结构进行表征。用紫外可见光分度计测量薄膜的光透过率及光学带隙,用荧光光谱仪测量薄膜的光致发光(PL) 图谱。

表1 不同改性过程得到的样品编号

不同改性过程对氧化锌薄膜的光学及亲水性能的影响

  3、结论

  采用溶胶凝胶法制备氧化锌薄膜。使用月桂酸钠,KH560 对氧化锌薄膜进行改性。SEM 结果表明,运用月桂酸钠改性的样品和先用KH560 后用月桂酸钠改性的样品其表面形貌相似,与其他改性方式改性的样品表面形貌有所区别。经过不同改性方式的样品在可见光区的透过率较大,而在紫外光区的透过率较小,且改性剂添加的顺序不同对于禁带宽度的影响不同,先经过KH560 改性后经过月桂酸钠改性的样品的禁带宽度最小。

  样品的PL 谱和禁带宽度结果表明,月桂酸钠和KH560可以使氧化锌表面的施主缺陷( Zni缺陷) 的浓度增加。改性剂对样品进行改性时,改性剂分子与样品形成的物质,结构较为复杂,由于空间效应,可能使氧化锌晶格的锌原子脱离原来的位置,形成间隙锌原子。使用两种改性剂改性的效果与单一改性剂改性的效果不同,且改性顺序不同对缺陷浓度增加的效果不同,并由此导致不同改性过程下得到的样品接触角、PL 谱和紫外可见光透过率光谱有一定不同。

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