用溶液生长法燃烧合成MgO纳米晶和MgO纳米晶薄膜的结构和微观结构外文翻译资料

 2022-06-28 11:06

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用溶液生长法燃烧合成MgO纳米晶和MgO纳米晶薄膜的结构和微观结构

K. Venkateswara Rao AElig; C. S. Sunandana

摘要：在本文中，我们描述了使用硝酸镁作为镁源的尿素基燃烧法和溶液生长法合成的氧化镁纳米颗粒和氧化镁薄膜的合成过程和微结构（XRD，SEM，AFM）。我们使用燃料与氧化剂的比率（Psi;）作为控制参数来研究晶格参数，颗粒大小和微应变如何在0.25的步骤中以Psi; = 0.25-2变化。早些时候，我们研究了NiO作为MgO中的替代溶质（Rao KV，Sunandana（2005）Solid State Phys 50：235）。使用Sherrer公式和Williamson-Hall图从X射线衍射峰的全宽半最大值（高斯和洛伦兹拟合）估算MgO的平均晶体尺寸。随着W系统地变化，粒度从15（plusmn;0.3）nm变化到60（plusmn;1.2）nm。使用BET法测量出的MgO粉末的表面积计算出的粒度，其与由XRD计算的晶体尺寸相当。我们还计算了具有不同Psi;的MgO纳米颗粒的孔隙率和微应变。用XRD和AFM很好地表征了MgO的薄膜。使用AFM计算薄膜的粒度和RMS粗糙度。

介绍：氧化物纳米材料具有广泛的应用领域，包括用作制备先进结构陶瓷的催化剂和原材料[1,2]。 MgO是高度绝缘的结晶固体，具有NaCl晶体结构，具有化学惰性，电绝缘性，光学透明性，高温稳定性，高导热性和二次电子发射等优良特性[3]。氧化镁对基础和适用的研究领域都具有吸引力[4]。除了作为液晶显示面板中的耐热玻璃复合材料之外，氧化镁还用于各种工业应用，例如耐热和高温绝缘材料以及燃料油添加剂[5-7] nescence显示面板，等离子显示面板和荧光显示管[8]。常见金属氧化物如MgO，CaO和ZnO的纳米晶体已被证明对于许多有毒化学品（包括空气污染物，化学战剂[4]和酸性气体）是高效和活性的吸收剂。有几种制备MgO的方法，包括高温固态合成，溶胶 - 凝胶技术和气相氧化[9]。在这项工作中，我们探索了一种相对较新，简单和节能的燃烧技术，用于氧化镁纳米粒子的良好合成。通过燃料/氧化剂比率（Psi;）的系统变化已经优化了合成，并且已经对所得到的纳米颗粒进行了结晶尺寸，孔隙率和微观结构的探测。 MgO薄膜在不同的发展领域也可以找到几种应用。由于MgO薄膜具有较低的侵蚀速率和较高的二次电子发射系数[10,11]，因此可用作替代电流（AC）等离子体显示面板（PDP）中的保护层。 Zeus显示面板中的二氧化硅（SiO2）和电子倍增器中的倍增电极的替代电介质。 MgO单晶是制备铁电和超导薄膜的极好基体[12]。近来，已有许多关于通过各种方法制备MgO薄膜的研究，例如反应磁控溅射[13]，脉冲激光沉积[14]，离子束溅射[15]和等离子体增强金属有机物化学气相沉积[16]。在这项工作中，我们采用了一种新的湿法化学路线[17]，用于在含有镁（ 2）离子和尿素的溶液基础上制备玻璃衬底上的MgO薄膜，并对其结构和微观结构给出结果。

样品制备和实验技术

这篇文章有两个目标

（1）化学燃烧法合成纳米晶氧化镁粉体及其表征。

（2）通过溶液生长路线制备和表征纳米晶氧化镁薄膜。

有趣的是，在两种方法中起始材料都是相同的，即硝酸镁Mg（NO3）2· 6H2O和尿素（NH2CONH2）。

纳米晶MgO的化学燃烧

可用于制备纳米材料的技术基于分解或分解大块固体或建立过程。一些众所周知的方法是激光烧蚀，等离子体合成，化学气相沉积，机械合金化或高能球磨以及溶胶 - 凝胶合成[18]。所有这些技术都涉及到，需要特殊的化学品和设备。在我们的研究过程中，我们通过低温引发的自蔓延燃气生成燃烧法制备了Mg1-xNixO，NiO和MgO固溶体[19,20]。自蔓延燃烧过程涉及氧化剂如金属硝酸盐，硝酸镁和有机燃料（通常为尿素（CH4N2O）或碳酰肼（CH6N4O）或甘氨酸（C2H5NO2））的放热反应。燃烧反应的机理相当复杂。影响反应动力学和机理的参数包括燃料类型，燃料与氧化剂的比例，过量氧化剂的使用，着火温度和前体混合物的含水量。为了制备本研究中的MgO样品，将所需量的硝酸盐Mg（NO3）2·6H2O（MERCK Ltd.）与燃料尿素（NH2CONH2）（QUALI-GENS）一起溶于蒸馏水中。基于推进剂化学计算金属硝酸盐和燃料的化学计量组成。当燃料与氧化剂比率（Psi;）等于1时，燃烧热是最大的[20]。燃料与氧化剂的比率（Psi;）[21]用下式计算：

其中n是燃料的摩尔分数，a是硝酸盐的摩尔分数。通过如上所述的化学计量计算，我们制备了不同燃料与氧化剂比例W = 0.25,0.5,0.75,1,1.25,1.5,1.75和2的MgO。使用磁力搅拌器将水溶液充分搅拌并置于热板上以引发反应。当温度达到100°C时，水开始沸腾并从溶液中蒸发，这大大增加了溶液的粘度，在此期间化合物起火。最后，我们剩下的是前轻量级的白色粉末。在300℃下退火2小时的所获得的前体和前体都被表征。使用具有Cu-Ka1辐射的飞利浦X射线衍射仪进行这些样品的结构表征。使用Philips XL-30 SERIES SEM进行微观结构研究，将样品涂布在经过良好清洁的显微镜载玻片上，涂上真空油脂后。使用Autosorb-1仪器（Quanta chrome）通过BET方法在77K下使用N 2吸收等温线估算比表面积。使用AMBIOS XP-1钻石测针轮廓仪测量薄膜的厚度。为了分析表面形貌，使用非接触动态力模式（DFM）通过SPA 400原子力显微镜（AFM）检查MgO膜。

假定用于合成MgO的氧化还原混合物完全燃烧的理论方程式是

Mg(NO3)2 · 6H2O NH2CONH2

→ MgO(s) 8H2O(g) CO2(g) 2N2(g) O2(g) （2）

纳米晶MgO薄膜的溶液生长路线

底物的制备

为了制造MgO薄膜，使用标准显微镜盖玻片作为基底。 在薄膜沉积之前，将浮法玻璃切片切成3厘米times;2.5厘米的片。

随后按照以下步骤1-10中的说明清洁它们：

（1）将玻璃载玻片在硫代羧酸中保持24小时并用水清洗;

（2）在10％肥皂溶液 90％水中升温至沸点;

（3）用棉花在冷水中揉搓消毒;

（4）用铬酸加热至沸点以除去有机污染物;

（5）在冷水中冲洗并清洗以去除表面污染物;

（6）在蒸馏水中进行超声波处理以沉降尘粒;

（7）在异丙醇中超声处理3-5分钟;

（8）在三氯乙烯中超声处理3-5分钟以去除油脂。 如果基材未被正确清洁，溶液会变成白色;

（9）在异丙醇中超声处理3-5分钟。 （溶液的颜色没有变化）;

（10）在装入系统中进行沉积之前在空气中干燥。

MgO薄膜的沉积

所提出的方法类似于[17]。氧化镁薄膜的生长是基于含有镁离子和尿素的水溶液的热处理。通过混合50cm 3 1mol / dm 3 Mg（NO3）26H2O和25cm 3 1mol / dm 3尿素来制备沉积浴。先前制备的基底被垂直支撑在100立方厘米实验室烧杯的壁上。该烧杯保持在100℃的油浴中。在100℃加热约1小时后，反应混合物缓慢变混浊。在2小时内，反应混合物变成沉淀在烧杯底部的3Mg（OH）2·2H2O的白色块状沉淀物。将沉积的薄膜在去离子水中洗涤并在400-4250℃的温度下退火约48小时。退火后的薄膜显着白色，均匀，均匀。在图1中示出了膜厚对沉积时间的依赖性。可以看出，约2小时后实际完成沉积。终端厚度约为2 lm。通过将初始沉积的薄膜重新浸入新鲜浴中可以制备更厚的膜。沉积过程的整体化学反应可以用以下等式表示

3Mg2 2NH2CONH2 10H2O

＝ 3Mg(OH)2 · 2H2O 4NH4 2CO2 2H （3）

沉积过程的化学反应基于尿素在较高温度（90-100°C）下加热分解成CO2和NH3的事实。

图1薄膜厚度对沉积时间的依赖性，以分钟为单位

结果与讨论

化学燃烧合成MgO的X射线衍射

X射线衍射图表明，单相fcc MgO相通过在0.25℃的步骤中将前体在300℃下对燃料与氧化剂的比率w = 0.75-2进行退火而获得。对于W = 0.25和0.5，由于燃烧期间产生的热量不足导致样品混合物中的残留水分，因此产生MgO和Mg（OH）2两相。 （111），（200），（220），（311）和（222）XRD峰的强度是

与JCPDS（78-0430）值相当，如图2所示。晶格参数几乎与所有燃料与氧化剂的比率（W）一致（与JCPDS一致），但由于颗粒或晶体尺寸的大小为减少，晶格参数有小的收缩。因此观察到晶格参数与晶体尺寸的系统变化。晶格参数随晶体尺寸减小的收缩表明，表面张力可能在确定晶格参数中起主要作用[22]。纳米晶体的表面自由能源来自于形成过程中产生的表面化学键。总表面能是表面化学键数和表面键能的乘积[23]。纳米颗粒的表面能增加将通过弹性扭曲它们的晶格而倾向于缩小它们的尺寸。当然，与整个粒度相比，这种失真是非常小的。

微晶大小

图2不同燃料与氧化

剂比例（psi;）化学燃

烧制备的MgO纳米

颗粒的室温XRD图谱

  1. psi; = 0.25，

（b）psi; = 0.5，

（c）psi; = 0.75，

（d）psi; = 1，

（e）psi; = 1.25，

（f）psi; = 1.5，

（g）psi; = 1.75

（h）psi; = 2

所有样品均产生明显的衍射增宽，并且合理地认为这是由晶体和内部应力引起的。 衍射理论预测由微晶尺寸引起的宽度随着秒的角度而变化，并且由于弹性应变如tanh [24]而变化。 可以使用由于仪器效应而超出固有峰宽的衍射峰的额外增宽来测量低至1.0nm的微晶尺寸。制备和退火组合物的微晶尺寸由所有半峰全宽（FWHM）计算 使用Debye-Scherrer公式[25]的峰（111），（200），（220），（311）和（222）

使用高斯函数和洛伦兹函数来拟合所有峰的FWHM，可以得到更准确的结果。

我们还使用了基于William-son-Hall方程的另一个程序来计算每个样品的应变和粒径[26]。 威廉姆森霍尔方程是

其中B是XRD所有峰的半高宽（FWHM），K是Scherrer常数，t是结晶尺寸，k是X射线的波长，e是晶格应变，而h是布拉格角。在这种方法中，Bcosh与2sinh作图。使用线性外推法绘制该图，截距给出粒径Kk / t，斜率给出应变（e）。在此，当我们改变燃料与氧化剂的比例时，颗粒的平均尺寸从15（plusmn;0.3）nm变化到60（plusmn;1.2）nm，如图3所示。

图3 由Debye-Scherrer公式和Williamson-Hall图计算出的通过化学燃烧制备的MgO粉末的平均晶体尺寸

燃烧热在Psi;= 1时最大[ 21]，因此粒子的大小对于Psi; = 1是最小的，并且当Psi;从0.75增加时，粒子的大小减小直到Psi; = 1，然后它增加。这可以解释为由于由于热力学条件的系统性变化和由其产生的气体的性质引起的点火温度，燃烧速率和绝热火焰温度和焓的差异。对于Psi; = 1，上述参数可能被优化以产生最小的粒子。我们早些时候在NiO的制备中观察到同样的现象[27]。

表面积的测量

比表面积测量是用于表征粉末样品的重要参数之一，并与其他参数（如粒径，形状和密度）有关。 通过使用Brumauer Emmett Teller（BET）公式<sup

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