《功能金属材料》课程作业一维氧化锌纳米材料应用与发展前景及课程感悟班级：0610104学号：061010418姓名：刘广通一、一维ZnO 纳米材料性能ZnO 纳米材料以形态和尺度划分，包括零维ZnO纳米材料（ZnO 纳米颗粒）、一维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米薄膜）等。

按成分划分，包括纯ZnO 纳米材料和掺杂ZnO 纳米材料，如In、Ga、Sn、Mn、Co等各种元素掺杂的n型掺杂纳米材料，P、N、Li等元素掺杂的p型掺杂纳米材料及多元素复合掺杂的掺杂ZnO 纳米材料。

一维ZnO 纳米材料在光学、电输运、光电、压电、力电、场发射、稀磁、光催化、吸波等性能上具有显著特点，在传感、光学、电子、场发射、压电、能源、催化等领域已经显示出良好的应用前景。

目前，在一维ZnO 纳米材料研究领域，关注的重点包括一维ZnO 纳米材料的可控及高产率设备、结构与性能调控、纳米器件组装、纳米材料及器件的性能测试与评价、纳米效应及耦合效应、理论计算与模拟、安全服役与损伤等方面。

[1]目前来说，我们都希望电子器件能越小型越好，也就是通过不断缩小器件的尺寸来达到提高速度、减少功耗的目的，这种方法在过去几十年一直被运用而随着我们周围的生活电子产品的不断微型化而发展。

所以要利用薄膜生长和光刻技术（电子束光刻、X射线光刻等）制备材料和器件。

我们希望纳米线作为基本功能单位来组成电子电路。

一维纳米材料的原理器件的研制可以完成这一使命。

而ZnO 是一种具有压电和光电特性的半导体材料，它是典型的直接带隙宽禁带半导体，同时它的激子结合能高达60meV。

因此ZnO 材料在紫外光电器件方面有巨大的应用潜力。

ZnO有很高的导电、导热性能，化学性质非常稳定，作为短波长发光器件具有高的稳定性和较低的价格，有极大的应用价值。

而在一维纳米材料中， ZnO 有三个主要的优点：首先，它既是半导体又有压电效应，这是做电动机械耦合传感器和变频器的基础;其次，ZnO 的生物安全性与相容性相对高，可以用在医学方面；最后，ZnO 的种类最丰富，如纳米线，纳米带，纳米螺旋结构等。

因而有一系列的一维ZnO 纳米材料的新器件被不断地开发研制，如室温激光器、发光二极管、传感器、晶体管、场发射器等。

二、一维ZnO 纳米材料的应用及发展前景一维ZnO纳米材料被用于光学器件。

因为ZnO是一种宽禁带半导体，而且在室温下具有很高的激子束缚能，因此ZnO被认为是一种优异的蓝光到紫外波段发射的发光材料。

在325nm的He-Cd激光激发下，ZnO纳米材料的室温发光谱中存在两个发射峰，分别是380nm左右的近带边的自由激子复合引起的紫外发射峰[2]和540nm左右的氧空位引起的绿光发射峰[3]。

ZnO纳米材料的发光效率远高于块体材料，这主要是因为ZnO纳米线的单晶形态和小尺寸效应。

小尺寸效应的影响是由于纳米材料非常微小，其尺寸与光波波长、传到电子的得布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等具有物理特征的尺寸相当或更小时，它的周期性边界将被破坏，使它原本所具有的声，光，电，磁，热力学等特性呈现出“另类”的现象。

ZnO纳米的发光机制有以下几种：1)带间跃迁发光。

即适当的光照射时，半导体的价带电子发生带间跃迁，也就是电子从价带跃迁到导带，而产生光生电子和空穴。

而对纳米材料，器能带将会展宽，改变其性能。

2）激子辐射复合发光。

纳米结构ZnO有宽的禁带隙、大的比表面积、界面中的空位浓度大，小尺寸效应导致电子的平均自由程局限在纳米空间，与激发波长相当，进而引起电子和空穴波函数的重叠，易形成Wannier激子。

由于量子限域效应和电子与空穴之间的Coulomb作用，高浓度激子在能隙中靠近导带形成激子能级，激发能被在禁带中分立的中心吸收，产生激子发光带。

3）能带与缺陷能级之间的电子跃迁发光。

一维ZnO纳米材料中的主要缺陷是氧空位。

电子在导带、价带及缺陷能级之间跃迁，必然会产生能量的吸收和释放，不同能级间的电子跃迁都对应一种不同的光发射，发射出的光波长也不同。

一维ZnO纳米材料在光学器件方面主要用于光致发光器件，电致发光器件和光传导器件。

最重要的光学应用是构建近紫外发光二极管和激光器件。

基础是形成p-n结。

最开始是采用n型ZnO与p型半导体构成异质结，实现发光。

近年来，除了将n型ZnO与其他平p型半导体构成异质结构的二极管，许多小组致力于获得p型ZnO材料，逐步取得了进展。

并构建了ZnO同质p-n结，实现了电致发光。

一维ZnO纳米材料被用于电子器件。

ZnO作为一种优异的半导体材料，因此可以在二极管、三极管（晶体管）等半导体器件中作为工作部件。

虽然目前p型ZnO的制备成为ZnO在电子器件应用方面的瓶颈，但n-ZnO与其他p型半导体形成异质结作为器件也是ZnO的一个潜在应用方向。

另外，当半导体与金属接触时，由于两种材料的势垒不一样，可以形成欧姆接触和肖特基接触。

对于n型半导体，当金属的功函数大于半导体的亲和能的时候，属于肖特基接触；反之则是欧姆型接触。

势垒的存在导致了大的界面电阻，肖特基二极管SBD就是利用金属和半导体接触面上形成的势垒具有整体特性而制成的金属-半导体器件。

肖特基势垒二极管是今年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。

三极管又称晶体管也是在半导体器件中非常重要的一种器件。

它的放大和开关作用促使电子技术飞跃发展。

在晶体片的基本功能单元之一，广泛应用于开关和放大电路。

[4]因此ZnO纳米材料在二级管和晶体管中的应用研究也是目前研究的热点。

用于二极管，采用一般方法制备的ZnO纳米材料由于在生长过程中往往会引入氧空位，因此一般ZnO纳米材料是n型半导体。

可以将ZnO与p型半导体组合成为p-n结，构成二极管。

由于一般制备的ZnO是n型半导体，可以通过掺杂改变ZnO的导电性能，形成同质结。

2003年，香港城市大学的学者李述汤采用两步法在模板中制备了掺杂BZnO纳米线与未掺杂纳米线构成的p-n结，通过I-V性能测试证实了该结构的p-n结特性。

用于三极管。

一维ZnO纳米材料在三极管中的应用主要集中在场效应晶体管领域。

，而发展ZnO纳米材料在场效应管中的应用，对推进集成电路的集成化是非常有益的。

纳米线晶体管相对于块材和薄膜晶体管具有很高的载流子迁移率，在低温条件下与弹性衬底的相容性、光学透明和可弯曲弹性一样具有很好的前景。

科学家采用In2O3和ZnO纳米线在玻璃和可弯曲的弹性衬底上构建了晶体管，这种晶体管表现了很好的n型晶体管特性，并具有82%的光学透射率。

这些纳米线可以作为像素开关和驱动晶体管在主动驱动式有机发光二极管显示器上。

整个像素区域的透明度明显增强主动驱动显示阵列的开口率，并使能量损耗降低。

用于场发射器件。

根据场致电子发射理论，一维纳米材料的长径比大、尖端尖锐，非常有利于在电场下发射电子。

因此，一维纳米材料具有作为场致发射冷阴极的独特形貌特征。

其场发射器件在电子束源、平板显示领域和照明领域有着广泛的应用。

ZnO具有良好的稳定性、高热导率、小介电常数、低电子亲和势、高迁移率和高击穿电压,非常适合作为场发射阴极材料。

近年来,利用一维纳米ZnO材料作为场发射阴极材料以提高场发射阴极的发射性能已经成为ZnO研究领域的热点之一[5]。

ZnO纳米材料功函数高达5.4 eV,与金刚石、ZrN、Mo等相比,ZnO体材料并不是一种好的场发射材料。

但是,氧化锌N型掺杂浓度可达1019cm-3,电子迁移率为260,具有优良的电学特性[6],而且ZnO纳米结构具有较大的场增强因子,使得ZnO纳米结构具有良好的场发射特性。

所以ZnO一维纳米结构的功函数低,且拥有很高的场增强因子,具有优良的场发射性质。

[7]下一步如能解决场发射性能的稳定性、重复性和可靠性,则基于准一维纳米ZnO的场发射器件将具有巨大的应用前景。

从大量研究ZnO纳米结构的实验及其场发射性能测试结果来看,可以得出这样的结论:纳米ZnO的形貌和晶粒大小对其场发射性能有很大关系,其中长径比更大的ZnO纳米线场发射性能尤为突出;外加电场的的大小与掺杂材料对纳米结构的ZnO场发射性能也有很大的影响;发射体的密度决定着场发射电流的均匀性和稳定性,例如ZnO纳米线阵列,过疏的阵列意味着场发射面积很小,过于密集的阵列纳米线之间又有屏蔽效应而削弱单个的纳米线尖端的场强。

当然,纳米ZnO的场发射性能除了与这些因素有关,还与自身的电导行为、尖端形态及纳米尺度下材料的结构变异等因素有关,这些复杂的问题,还有待于进一步的研究和探索。

[8]除此之外，一维ZnO纳米材料还被用于传感器件，光伏器件和压电器件。

传感器发展的一个方向是集成化和智能化，这就需要减小每个功能单位的尺寸，同时提高其敏感性。

一维ZnO纳米材料同时具有一维传输性、小尺寸和大的比表面积，可以相信未来它会是一种理想的传感器材料。

可以做湿度传感器，而ZnO进行气体探测的机理在ZnO晶界和表面氧的吸附和解吸过程中，在气体和ZnO表面之间存在电荷转移，从而改变耗尽层深度和表面或晶界的导电性能；可以做气敏传感器；可以做生物传感器，ZnO还是一种良好的生物适应材料，对人体无毒无害。

ZnO具有高达9.5的等电点，适合吸收低等电点的蛋白质。

静止的蛋白质容易被吸附，同时ZnO还有高表面积、无毒性、化学性稳定、电化学活性强和高的电子传输特性，所以在生物传感器方向有很大前景；可以用做压力传感器，因为ZnO是一种压电材料。

ZnO是非中心对称晶体，同时具有半导体及压电特性，可以完成机械能向电能的转化。

而一维纳米材料有极大的纵横比，使得很小的作用力下连续进行弯曲-伸直这一过程，具有较大输出功率的纳米发电机可以实现，所以可以做压电器件。

目前,对一维ZnO纳米材料制备方法的研究已经获得较大进展,制备具有各种形貌的一维ZnO纳米材料已不再困难。

但在一维ZnO纳米器件层次上,相关研究仍非常欠缺,大多ZnO纳米器件(原型)的研究还处于实验室阶段,技术尚未成熟。

更进一步来说,要想进行真正的纳米制造,必须进行纳米器件的系统集成,即将大量不同的纳米器件和纳米结构在微小的面积上有目的、有计划地设计并完成平行制造。

这需要对各个纳米组件进行链接使其发生联系,相关研究目前还很少开展。

可见,一维ZnO纳米材料要想从研究走向应用,还有很多问题有待解决。

除了对一维ZnO纳米材料制备技术的完善、机理认知需继续深入外,未来越来越重要的主题是纳米器件的实用化和纳米制造的初步尝试。

有理由相信在不远的将来基于一维ZnO纳米结构的纳米制造和应用化可以顺利实现。

三、课程感悟这门课讲述的都是很科学前沿的或很具有研究价值及发展潜力的功能金属材料，很多内容都是我们很好奇有兴趣的东西，能够了解这些知识而能解释现今满目琳琅的科技电子产品的特殊性能就是学习的乐趣。