创新性实验

国家大学生创新性实验计划典型案例

点击数：2391 作者：佚名来源：本站原创发布时间：2009年04月16日

ZnX(X=O, S, Se, Te)半导体纳米材料的电化学制备

中山大学化学与化学工程学院

一、摘要

中山大学是教育部首批十所国家大学生创新训练计划试点高校之一，化学与化学工程学院2004级应用化学专业本科生卢锡洪等5名同学申请的“ZnX(X=O, S, Se, Te)半导体纳米材料的电化学制备研究”获得“国家大学生创新训练计划”项目立项资助，指导教师为物理化学专业的童叶翔教授和李高仁博士。

ZnX(X=O, S, Se, Te) 是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体材料，具有优良的光电、压电特性，在探测器件、发光器件、表面声波器件、气敏传感器以及太阳能电池等领域有重要的应用前景。本项目旨在利用电化学方法制备纳米ZnO和ZnO掺杂稀磁材料等系列纳米材料，并对其进行形貌表征、光学和磁学性质研究。

通过此项目的开展，项目组学生根据国际相关领域研究热点，采用电化学方法制备出具有新颖纳米结构及实用意义的ZnO系列纳米材料，有机会利用多种先进表面物理技术对这些纳米材料进行了具有国际水平的表征和研究，到目前为止共在国际重要学术刊物J. Phys. Chem. C, Cryst. Growth Des.; Electrochem. Commun., Electrochim. Acta发表SCI收录的论文7篇。此项目的实施成效显着，培养了学生对科学研究的兴趣，熟悉了科研的过程，拓宽了学生的知识视野，提高了学生的科研素质，为其进一步深造和提高创新能力打下坚实基础。“国家大学生创新训练计划”的实施为本科生创新能力培养提供了制度保证和经费支持。二、案例正文

（一）项目选题背景

化学与化学工程学院2004级应用化学专业本科生卢锡洪等5名同学修完了《物理化学》等基础理论和实验课后，掌握了材料制备、表征等领域的基本理论和实践知识，对处于宏观和微观之间的介观化学充满了向往和兴趣。ZnX(X=O, S, Se, T e) 是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体材料，具有优良的光电、压电特性，在探测器件、发光器件、表面声波器件、气敏传感器以及太阳能电池等领域有重要的应用前景，近年来此类纳米结构材料的制备和性质已引起了国内外学者的广泛关注，根据此国际纳米材料领域的研究热点，项目组选择采用电化学方法制备具有新颖纳米结构及实用意义的ZnX(X=O, S, Se, Te)纳米材料为题，得到了任课教师童叶翔教授和李高仁博士的大力支持，他们从2006年9月直接进入项目组实验室开展

研究工作。同学们在教师指导下，通过查阅和研读文献、对ZnO纳米材料的电化学制备和表征进行详细了解；自学新的知识，开始实验方案设计，并反复推敲和论证，撰写了“国家大学生创新训练计划”申请报告，获得教育部首批立项资助。

（二）项目成员的组成、特长、分工及成员间相互协调配和情况、导师指导情况本项目的申请由柯志海，卢锡洪，李林朋，包云玉，孔培健等5名同学共同提出，由于课程学习和研究兴趣的改变，坚持开展实验研究的只有卢锡洪和柯志海同学。柯志海同学在本项目中主要负责ZnO 纳米材料的电化学制备；卢锡洪同学在本项目中主要负责ZnO纳米材料的表征研究，包括：XRD, EDS, SEM, HRTEM, SEAD，主要研究ZnO成核机制和晶粒生长过程，认识粒子尺寸和形貌的生长规律，探索非晶、纳米晶的生长机制。同时负责研究ZnO纳米材料的紫外、荧光等光学性能。童叶翔教授和李高仁博士负责本项目的全面指导工作，包括项目的学术思想、技术路线制订与理论分析、研究进展、数据处理和论文撰发等工作。

从2006年9月开始，卢锡洪和柯志海同学在导师的指导下独立开展实验研究，在探索研究问题的过程中不断学习ZnO纳米材料的新知识、在实验过程中发现新问题、寻求解决问题的方法和途径，学习如何提出问题、发现问题的思路和方法；反复实验，分析处理实验数据，总结、深化实验研究，撰写科研论文等。教师在指导项目组学生开展课题研究的过程中，特别强调交叉科学的思维培养，着力培养学生以新视角、新思路、新方法审视所研究课题、推敲实验方案，将学科交叉的思想和意识渗透到每一个研究环节的细微处；并认真修改学生撰写的研究论文，在投稿发表过程中，不断灌输学生的学术鉴赏力和学术规范，注重在研究过程中提高学生的科研能力、培养其团队合作精神。

（三）项目的创新点和特色

1．项目的创新点

(1) 通过电化学方法制备ZnX(X=O, S, Se, Te)，目前文献报道不多，这类纳米材料的电化学制备、纳米结构调控和相变研究是崭新的研究领域；

(2) 通过电化学沉积方法，设计并制备过渡族金属或稀土掺杂的的ZnO纳米材料，实现材料的设计及制备的调控以及光学和磁学性质预测，也是本项目的另一个创新点。

2. 项目的科学意义及应用价值

自从2001年国际上首次报道合成ZnO纳米带后，ZnX纳米材料成为当今纳米结构研究的热点之一，由于其属于宽能隙半导体化合物，并且有很大的激子结合能, 有着独特的发光性质、电学性质以及机械性质，在压敏、光催化、光电极、场发射、太阳能电池、化学传感器、表面弹性波滤波器等领域具有广阔应用前景。目前纳米棒、纳米线、纳米管、纳米弹簧、纳米梳子等一维或者准一维ZnX纳米结构可以通过热蒸发、溅射法、水热法、共沉积法等物理和化学方法制备, 结合国内外纳米材料的最近研究热点和我们课题组的前期工作积累，本项目的特色为尝试在更绿色易得的水溶液体系中开展电化学方法制备ZnO半导体纳米材料的探索，并期望逐步通过掺杂磁性元素或稀土元素获得一些有价值和较大应有前景的半导体稀磁材料和新型荧光材料。

（四）项目实施的进展情况及初步取得的创新成果

1. 项目实施的进展情况

（1）以有机酸为形貌调控剂，通过电化学方法成功制备了ZnO纳米棒束，不同类型的多孔ZnO纳米结构，初步阐明了多种不同形貌ZnO纳米结构的形成机制，实现了ZnO纳米材料的电化学合成及形貌的电化学调控，并探讨了其荧光性质。实验结果在国际重要学术刊物Electrochem. Commun.(2007, 9, 863-868) 发表论文1篇，在美国化学会《物理化学杂志C卷》（J.Phys. Chem. C, 2007, 111, 1919-1923；2007, 111, 6678-6683)发表论文2篇。此部分结果被审稿人给予了较好评价：“I believe that project involving here would be an interesting contribution to the literature on electrochemical synthesis of high-pure ZnO nanostructures.”。

（2）在纯ZnO纳米结构的制备获得了成功后，卢锡洪同学开始进一步探索过渡族金属或稀土掺杂ZnO制备，目的是为了得到稀磁半导体纳米材料。制备出(Mn, Co)共掺的ZnO 纳米棒阵列并实现了Mn, Co含量的调控，发现了(Mn, Co)共掺的ZnO纳米棒阵列具有较好的铁磁性，该结果2007年已发表在Electrochem. Commun.(2007, 9,1661-1666)上。以此为基础，用电化学方法制备出一系列Ce或Tb掺杂的ZnO纳米材料并实现了形貌调控，研究其磁性和光学性质，实验结果在美国化学会《物理化学杂志C卷》（J.Phys. Chem. C,, 2008, 112, 2927-2933)和《晶体生长与设计》（Cryst. Growth Des.，2008, 8(4), 1276–1281）各发表论文1篇，见图1；卢锡洪同学为第一作者在国际重要学术刊物Electrochim. Acta, (2008，53，5180-5185.) 发表论文1篇。

（3）近期又开展了纳米半金属材料的电化学制备研究，进展顺利，成功发现了In-Sb 纳

米金字塔结构的生长行为，该结果2008年已发表在Electrochem. Commun.(2008, 10(1), 127-130)上，见图2。

图1 电化学控制制备Ce4+掺杂ZnO 纳米管，纳米笼和纳米棒；Cryst. Growth Des.; 2008,

8(4), 1276–1281.

图2 电沉积In-Sb 纳米结构生长控制的SEM 图, a→dElectrochem. Commun., 2008,

10(1), 127-130.

2. 初步取得的创新成果

(1) 实现了ZnO纳米材料的电化学合成及形貌的电化学调控，并分别探讨了它们的光学性质。

(2) 实现了掺杂ZnO纳米材料的电化学合成及形貌的电化学调控，并获得了较好磁学性质。

（五）项目实施过程中的收获与体会

1. 2004级本科生卢锡洪同学的收获与体会

带着对纳米材料产生的浓厚兴趣和许多疑问，我和同学们在大二暑假时走进了物理化学电化学实验室。在这里是我第一次真正地接触科研，在童叶翔教授和李高仁博士的指导下，我们从学习纳米材料基本概念和表征方法入手，掌握了许多课堂上学不到的知识；在进行文献查阅时，老师告诉我们文献调研是理解课题背景，设计方案的理论基础，查文献要找新和权威的文献，“站得高才能看得远”。我们通过校园网的电子期刊边看边查，认真体会，对于精华部分做好适当的记录、归纳和总结；实验中遇到的问题多去文献中找解决办法或是可以借鉴的内容，培养了独立思考的能力和学术鉴赏力。在实验方案设计完成后，恰逢教育部实施“国家大学生创新训练计划”，我们在学校和老师的鼓励和支持下，申请了该项目并获得资助，我和柯志海同学的积极性更高了，利用课余时间和节假日，经常泡在实验室，在实验过程中遇到困难多向老师和同学们虚心请教，成功地制备出多种不同结构的纳米ZnO和掺杂的ZnO纳米材料，对其进行了形貌表征和光学、磁性研究，已在国际知名刊物发表了7篇论文。经过这一年多的科研训练，我经历了科研课题的一个完整过程，从文献查阅、选题、立项、方案设计，到仪器设备选用及组装、实验测量、数据处理与分析、最后论文撰写等一系列过程，培养了对科学研究的兴趣，更提高了实验能力，也明白了科学研究的艰苦性、长期性和探索性及它的乐趣所在。最大的心得体会是要注意细节，不论是做实验还是撰写论文，都不能忽略任何细节，目前我已从学会撰写英文论文和投稿，并以第一作者在Electrochim. Acta发表论文1篇。现在我已经被免试提前攻读童叶翔教授的博士研究生，我对2008年9月开始的研究生生活充满期待。

2. 2004级本科生柯志海同学的收获与体会

选择这个课题是因为童叶翔教授在给我们讲授“物理化学”基础课时对纳米材料和介观化学介绍，科学家们合成的形状千奇百怪和性能优异的纳米材料一下吸引了我们的兴趣。作为国家理科人才培养基地的学生，在学校“优生优培”的支持下，我和卢锡洪等同学主动向童老师提出开展ZnX(X=O, S, Se, Te)纳米材料的制备研究，老师很高兴地答应了我们的要求，并教会我们学会使用ACS、John Wiley、ScFinder等电子期刊查阅相关的论文，掌握了国内外学者的研究动态，自主拟定了研究方案，申请了教育部“国家大学生创新训练计划”并获得资助。在童叶翔教授和李高仁博士的指导下，经过多次失败，有的同学退出了，我和卢锡洪等相互鼓励，坚持了下来，不断改进实验条件，总结规律，终于成功地制备出多种不同结构的纳米ZnO纳米材料，我们在“国家大学生创新训练计划”的资助下，有机会利用热场发射环境扫描电镜、透射电镜来观察沉积物表面形态，利用X-射线能谱仪（EDS，OXFORD）

来测定沉积物的组分和物相。在总结和攒写论文时，在老师的耐心指导下，我们体会到了认真严谨的重要性。通过这次“国家大学生创新训练计划”，激发了我对科学研究的更大兴趣，也让我深深体会到什么叫“学然后知不足”了。我不仅掌握了各种现代表面物理检测仪器的使用，更重要的是我们学会了一种科学的工作方法和工作态度。由于我有这样的创新训练经历，目前已经被免试录取为香港中文大学的研究生。

3. 指导教师的收获与体会

大学生创新训练是十分复杂的系统工程，是培养学生创新意识、创新精神、实践能力的主要途径，虽然学校设立了面向本科生的“开放实验室基金”和“大学生科研计划项目”，每年都有优秀本科生提前介入科研，在教师的指导下独立开展一些课题研究工作，建立了规范的管理机制，取得了一定成绩。但由于资助经费少，学生实际开展研究工作的时间较短，因而学生在课题的研究深度、科研训练的强度和系统性等方面显得不足。“国家大学生创新训练计划”是教育部实施“质量工程”的重要举措，正是为促进科学研究与教育的结合、加强本科生科研能力训练和综合素质的提高而设立的，这对于本科教育创新和创新性人才培养，具有重大的战略意义。

“国家大学生创新训练计划”在人才培养上成效显着，柯志海同学录取为香港中文大学的2008级研究生，卢锡洪同学将从2008年9月继续师从童叶翔教授提前攻读博士学位。该项目的实施不仅吸引了教授对本科生创新能力培养的关注和经费投入，通过双向选择的方式招到了满意的研究生；而且有效解决了青年教师的经费和人员的不足，形成了“教、学相长”的良性循环。李高仁博士在此期间，执教能力和科研能力显着提高，获得了2006年国家自然科学青年基金的资助，2008年1月晋升为副教授并遴选为硕士生导师。