近年来，随着纳米技术的飞速发展，纳米材料因其独特的物理和化学性质而备受关注。其中，氧化锌（ZnO）作为一种重要的n型半导体材料，因其具有直接带隙（3.37 eV）、大激子束缚能（60 meV）以及优异的热稳定性和化学稳定性，被广泛应用于光电子器件、传感器和光催化等领域。特别是ZnO纳米纤维，由于其高长径比、高电子迁移率和各向异性，展现出优异的性能。然而，ZnO的性能与材料尺寸密切相关，较大尺寸的ZnO会导致光生载流子复合率增加，降低光催化活性。因此，通过掺杂过渡金属离子（如镍Ni和钴Co）来调控ZnO的物理化学性质，成为研究热点。

在众多制备纳米纤维的方法中，电纺丝技术因其简单、低成本且能制备均匀直径的连续纳米纤维而备受关注。本研究通过电纺丝技术制备了纯ZnO、Ni掺杂和Co掺杂的ZnO纳米纤维，并系统研究了掺杂对纳米纤维结构、形貌、光学和磁性行为的影响。

一：实验部分

本实验中，使用了聚乙烯醇（PVA）作为基质材料，将ZnO前驱体溶液通过电纺丝设备制备成纤维，并在500°C下进行煅烧以去除有机成分并形成ZnO纳米纤维。实验中，Ni和Co的掺杂浓度均为5 mol%。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见漫反射光谱（DRS）和振动样品磁强计（VSM）等手段对样品进行全面表征。

二：核心发现

通过扫描电子显微镜（SEM）观察了纯ZnO和掺杂Ni、Co的ZnO前驱体纳米纤维的表面形貌。基于记录的SEM图像的形貌表征表明，所获得的形貌可以归类为纳米纤维结构，纤维具有随机取向，表面光滑且均匀。纯ZnO和Ni、Co掺杂的ZnO前驱体纳米纤维的直径分别为470 nm、417 nm和426 nm。经过500°C煅烧后，纤维直径显著缩小，分别为180.7 nm、133 nm和128 nm。纤维直径的缩小是由于PVA从纤维结构中去除所致。此外，纤维直径分布的直方图也进一步证明了纤维直径的变化（图1）。

通过X射线衍射（XRD）分析了纯ZnO和掺杂Ni、Co的ZnO纳米纤维的晶体结构。XRD分析确认样品具有高度结晶的六方纤锌矿结构，且未检测到任何次生相。如图2显示，所有样品均具有六方纤锌矿结构（空间群P63mc），且在(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(201)和(004)晶面上有多个特征峰。对于掺杂样品，未观察到与Co、Ni、NiO和Co₃O₄等化合物相关的额外峰，表明Ni和Co离子成功掺杂到ZnO晶格中，且未形成次生相。

在光学性质方面，通过紫外-可见漫反射光谱（DRS）研究了纳米纤维的光学吸收行为。如图3所示，未掺杂ZnO的吸收带边位于约370 nm，带隙值为3.18 eV。Ni掺杂的ZnO纳米纤维显示出轻微的蓝移，带隙值为3.20 eV。而Co掺杂的ZnO纳米纤维显示出红移，吸收带边位于405 nm，带隙值为2.82 eV。这种带隙的变化归因于尺寸效应和掺杂对晶格结构的影响。此外，Co掺杂的ZnO纳米纤维在568 nm、610 nm和659 nm处显示出峰，这些峰分别对应于高自旋态（S = 3/2）中的d–d晶场跃迁。

通过振动样品磁强计（VSM）分析了纳米纤维的磁性，纳米纤维的磁性表现出铁磁性特性（图4）。所有样品在室温下均表现出铁磁性行为。Ni和Co掺杂的ZnO纳米纤维的磁化强度高于未掺杂的ZnO纳米纤维。这种铁磁性行为归因于掺杂的过渡金属离子（如Ni、Co）替代了非磁性元素（Zn），以及晶格中固有缺陷的存在。

三：结论

本研究通过电纺丝技术成功制备了纯ZnO、Ni掺杂和Co掺杂的ZnO纳米纤维，并系统研究了掺杂对纳米纤维结构、形貌、光学和磁性行为的影响。静电纺丝技术成功应用于制备未掺杂和掺杂的ZnO纳米纤维。

实验结果表明，Ni和Co离子成功掺杂到ZnO晶格中，且未形成次生相。基于记录的SEM图像的形貌表征表明，所获得的形貌可以归类为纳米纤维结构，纤维直径的缩小是由于PVA从纤维结构中去除所致。XRD分析确认样品具有高度结晶的六方纤锌矿结构，且未检测到任何次生相。未掺杂和掺杂Ni（5%）及Co（5%）的ZnO纳米纤维的带隙值分别估计为3.18 eV、3.20 eV和2.82 eV，受尺寸效应影响。纳米纤维的磁性表现出铁磁性特性。

这些结果为ZnO纳米纤维在光电子器件和传感器等领域的应用提供了重要的理论依据和实验支持。未来，将进一步研究不同掺杂浓度对ZnO纳米纤维性能的影响，并探索其在实际器件中的应用潜力。

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文章来源：https://doi.org/10.1038/s41598-025-95443-7