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研究生:郭信宏
研究生(外文):Xin-Hong Guo
論文名稱:M2+ (M = Mn, Co) 摻入氧化鋅稀磁半導體材料之合成與特性分析
論文名稱(外文):Synthesis and Characterization of M2+ (M = Mn, Co) Doped ZnO Diluted Magnetic Semiconductor Materials
指導教授:賴大溪賴大溪引用關係
指導教授(外文):Ta-Shi Lai 賴大溪
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:材料科學與綠色能源工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:95
中文關鍵詞:MxZn1-xO熱裂解法奈米四腳體順磁性
外文關鍵詞:MxZn1-xOthermal decomposition methodnanotetrapodparamagnetism
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本研究主要是以熱裂解法合成MxZn1-xO (M= Mn, Co) 之膠體奈米粒子並對其特性加以鑑定。目的利用混合金屬物置換入材料晶格中,磁性離子本身的自旋交換作用(d-d交換作用)。實驗方法是以混合金屬長鏈有機羧酸化合物(MxZn1-x(SA), SA= Stearic Acid) 為前驅物,更換溶劑(如:十六醇、油胺),改變型態。針對溶劑來合成MxZn1-xO之膠體奈米粒子的大小與形狀之影響。
前驅物的製備方法,主要是將混合金屬氧化物於高溫下溶解於長鏈有機羧酸中,形成混合金屬長鏈有機羧酸化合物,藉由XRD, FTIR加以鑑定分析。實驗反應於惰性氣體之下,將不同溶劑與添加劑加熱至溶劑沸點後,再加入前驅物至溶液中進行反應,再將其單離,藉由XRD, EDS, TEM, UV-vis, PL, SQUID鑑定分析。
由實驗結果顯示,添加界面活性劑會附著於a、b軸成長面,抑制a、b軸方向成長,使得粒子沿著c軸(001)方向快速成長,造成產物型態為奈米四腳體,其粒子大小長約25 ± 5 nm 寬約5 ± 2 nm;添加少量的混合金屬物,由XRD無法鑑定出是否有置換入晶格中,但可由紫外-可見光光譜分析,推得知奈米粒子於添加錳、鈷金屬其能階相較於氧化鋅低,且於螢光光譜分析上,可得知氧化鋅的缺陷,是經由添加錳、鈷金屬後其缺陷經過填補,產生混合金屬發光特性。
Synthesis and characteristics of MxZn1-xO (M = Mn, Co) nanoparticles prepared via a thermal decomposition method were explored. The strategy was that magnetic precursors was doped into the lattice of ZnO. The purpose of this treatment was that the products were transferred to Diluted Magnetic Semiconductor via a magnetic ion spin exchanges function ( d-d exchanges function ). On this study, metallic long-chain fatty acid salts (MxZn1-x(stearate)2), hexadecanol / Oleylamine were used as precursors, surfactant and additive respecrespectively. Effect of surfactant and additive on the size and shape of MxZn1-xO colloidal nanoparticles was investigated.
The synthetic method of the precursor was as follows. The mixed metallic oxides were dissolved in the long-chain fatty acid under the high temperature. The mixed metallic fatty complex was gradually formed. The complex was identified by XRD and FTIR. The experimental procedure was as follows. Firstly, the various surfactants and additive were heated to the boiling point of solvent in the flask under the inert atmosphere. Then the precursor complex was injected into solution, and the reaction was product for some minute. Finally, the product was isolated after the reaction was finished. The characteristics of the product was measured by XRD, EDS, TEM, UV-vis, PL, and SQUID.
Experimental results show that surfactant was attached to the a/ b axis growth face of the product. This makes the directional growth of a/ b axis to be suppressed. Therefore the growth of the crystal was along the c-axis direction. The morphology of the product was nanotetrapod. The nanotetrapod size was about length 25 ± 5 nm, broad 5 ± 2 nm. Furthermore, stearic acid can effect the morphology of the product.Due to the litte amount of magnetic metallic oxide added, XRD can not identify whether the metallic atom was doped into the crystal lattice. However, based on the results of UV-visble spectrsepy, we con clued that the nanoparticles doped with Mn/ Co atom have a lower energy band gap than ZnO. Photoluminescence, the nanoparticles dope Mn/ Co defect their through fill then mixed metallic oxide give out light the characteristic to produce later.
摘要 i
Abstract ii
誌謝 iv
目錄 vi
表目錄 x
圖目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2文獻回顧 3
1.3論文架構 6
第二章 理論基礎 7
2.1 奈米粒子之物理性質 7
2.1.1 光學吸收 7
2.2 奈米粒子之合成與穩定性 9
2.2.1 奈米粒子之合成 9
2.2.2 膠體奈米粒子之穩定性 15
2.3 奈米粒子之成核與成長 16
2.3.1 La Mer 高均勻度膠體粒子成長模型 16
2.3.2 成核與成長理論 17
2.3.3 成核與成長機制 18
2.3.4 異向成長機制 21
2.4 磁性理論 24
2.4.1 磁性物種類 25
2.4.2 磁區與磁滯曲線 27
2.5 稀磁半導體 29
2.5.1 DMS 概論 29
2.6 氧化鋅之結構 31
2.7 小結 34
第三章 實驗方法與步驟 35
3.1 實驗流程 35
3.1.1 實驗反應式與流程圖 36
3.1.2 實驗裝置與設備圖 39
3.2 實驗藥品 40
3.2.1 藥品化學結構圖 40
3.3 儀器鑑定之材料特性分析 42
3.4 小結 55
第四章 結果與討論 56
4.1前驅物之合成條件與探討 56
4.1.1 合成Zn(stearate)2 之前驅物 56
4.1.2 合成MxZn1-x(stearate)2 之前驅物 56
4.1.3 前驅物之鑑定 57
4.2氧化鋅奈米晶體之合成與形狀控制 61
4.2.1 合成六角錐形之氧化鋅奈米粒子 61
4.2.2 合成四腳體氧化鋅奈米粒子 64
4.3 合成稀磁半導體奈米材料 65
4.3.1 合成MnxZn1-xO稀磁半導體奈米粒子 65
4.3.2 合成CoxZn1-xO稀磁半導體奈米粒子 67
4.3.3 合成不同量MnxZn1-xO稀磁半導體奈米粒子 68
4.4光學特性探討 72
4.4.1 ZnO奈米粒子之形狀差異對光學特性的影響 72
4.4.2 摻雜濃度對ZnO奈米粒子的光學特性影響 74
4.5磁特性探討 79
4.5.1 摻雜型ZnO奈米粒子之形狀對磁特性的影響 79
4.5.2摻雜濃度對ZnO奈米粒子的磁特性影響 80
第五章 結論與建議 85
5.1結論 85
5.2 建議 85
参考文獻 86
Extended Abstract 90
簡 歷 95
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