一些納米金屬氧化物紅外光譜的實驗及DFT研究.pdf

1、紅外吸波材料的研究與開發(fā)對現代隱身技術的發(fā)展和人民生活中的紅外防護、保暖等方面均具有重要意義。而近期研究表明，納米金屬氧化物對紅外電磁波的吸收體現出吸收峰強度高、頻帶寬且吸收峰隨材料的晶型結構和粒徑有不同程度的藍移和紅移的特點。本論文對納米TiO<,2>、納米ZnO、納米Al<,2>O<,3>及納米MgO四種納米金屬氧化物材料的紅外光譜各有側重地進行了實驗及DFT(Density FunctionalTheory)研究。 本論文

2、實驗工作的第一部分是對納米TiO<,2>、納米ZnO及納米MgO進行的一系列實驗研究。實驗發(fā)現，納米TiO<,2>的紅外吸收峰要比常規(guī)TiO<,2>的吸收峰寬化，且精細結構減少甚至消失；銳鈦礦型TiO<,2>的紅外吸收能力要比金紅石型的強；所測試的納米TiO<,2>樣品中，以粒徑在25 nm左右的樣品紅外吸收能力最強。納米ZnO的紅外光譜只出現一個紅外特征振動吸收峰，且發(fā)生藍移。納米MgO的紅外特征吸收峰分裂為中心在416 cm<'-1

3、>處的主吸收峰同507 cm<'-1>處的肩峰，這應該是紅移和藍移因素共同作用的結果。在此基礎上，對部分XO型和X<,2>O<,3>型納米金屬氧化物的紅外光譜分別進行類比研究，確認了晶型是影響納米金屬氧化物紅外光譜變化的重要因素，相同晶型的金屬氧化物往往具有類同的紅外光譜特征，其對應的納米金屬氧化物的紅外光譜變化規(guī)律也類同。 本論文實驗工作的另一部分是對用硫酸鋁銨熱解法制備得到的納米Al<,2>O<,3>進行的詳細的實驗研究。首

4、先利用工業(yè)上廣泛使用的硫酸鋁銨熱解法制備得到了不同晶型和粒度的納米Al<,2>O<,3>，然后利用XRD、TEM及IR對各樣品進行了表征。XRLD表明，制得的納米Al<,2>O<,3>粉末粒徑分別為5.9 nm，6.1 nm，6．6 nm，9.8 nm，10.5 nm和54.7 nm。900℃時保溫2h可得到純γ-Al<,2>O<,3>，加熱至1200℃發(fā)生相轉變，生成α-Al<,2>O<,3>，且中間不經過任何亞穩(wěn)相。TEM結果表明，

5、制得的納米Al<,2>O<,3>粉末顆粒均為球形，且分散性較好。IR測試結果分析表明在1000～400 cm<'-1>波數范圍內納米Al<,2>O<,3>的紅外光譜較之常規(guī)Al<,2>O<,3>出現了藍移和寬化現象，這說明較之常規(guī)Al<,2>O<,3>，納米Al<,2>O<,3>的紅外電磁波吸收能力得到增強，這為制備寬頻帶紅外電磁波吸收材料提供了依據。文中還進一步對納米Al<,2>O<,3>出現反常紅外吸收特性的原因及機理進行了詳細的分

6、析討論。通過比較不同晶型的納米Al<,2>O<,3>的紅外光譜發(fā)現不同晶型的Al<,2>O<,3>的紅外光譜具有不同的特征，因此，紅外光譜可作為定性判定其是否發(fā)生相變的一種輔助手段。一系列實驗現象表明，納米金屬氧化物紅外光譜的頻移現象似乎存在一些矛盾的結果，為深入探討其紅外光譜的變化規(guī)律，選取典型的金屬氧化物MgO作為研究對象進行DFT模擬計算。利用CASTEP中GGA和LDA近似下的MD方法對八組晶格常數下MgO的能帶結構和紅外光譜進

7、行模擬計算，分別是a=0.42020 nm，0.42025 nm，0.42045 nm，0.42071 nm，0.42095 nm，0.42112 nm，0.42124 nm，0.42140nm。能帶結構的計算表明，LDA計算結果的偏差是GGA的2～3倍，這說明對MgO而言，能帶結構的計算仍以GGA占優(yōu)。紅外光譜的計算結果則表明，對納米MgO而言，存在著一些特征晶格常數(a=0.42112 nm，a=0.42071 nm，a=0.420

8、45nm等等)及特征晶粒度，紅外光譜發(fā)生明顯頻移的點總是出現在特征晶格常數處，且特征晶格常數均處于隨著晶粒度減小晶格常數發(fā)生陡變的區(qū)域范圍內，其對應的晶粒度范圍為70～110 nm(特征晶粒度范圍)。其譜峰的頻移并不是單調變化的，而是在一定的晶格常數范圍內發(fā)生紅移，一定的晶格常數范圍內發(fā)生藍移，具體的實驗研究中之所以得到不同的頻移結果就是因為所制備得到的樣品處于不同的晶格常數范圍內。能隙值的變化同紅外光譜的變化之間存在著一定的關系。此外

9、，我們還認為納米MgO振動模式的簡并和分裂是影響其吸收峰寬化或是窄化的一個因素。 為保證全文實驗工作的順利開展，對德國SPECORD 75型紅外光譜儀進行了升級改造。為其配備數據采集卡并自行編制了配套的軟件，實現了實驗曲線的實時監(jiān)測和實驗數據的實時采集，克服了光譜儀原有的缺點，并使之達到了現代光譜儀的測試水平。這也為舊式儀器的更新利用提出了新的思路。同時，對紅外光譜實驗研究中的固體制樣方法進行改進，提出了改進的“薄膜法”。通過測