中央民族大学本科生学年论文 中央民族大学本科生学年论文
* 名： ** 学 号： ******* 年 级： 2007级 院 系： 理学院 专 业： 光信息科学与技术 ****： ***
《ZnO一维纳米结构研究进展》 中央民族大学本科生学年论文 摘 要
一维ZnO纳米材料以其新颖的物理、化学和生物学特性以及在纳米器件中的潜在用途成为当今纳米技术的研究热点。而一维纳米结构ZnO材料大规模、低成本和简单有效的合成与组装无论从基础研究的角度来说，还是从性能与应用的角度来看，都有着重要的意义。本文全面综述了ZnO一维纳米结构的制备，结合ZnO本体性能和纳米尺度效应而具有的独特的电、光、磁、机械等性质，以及应用前景。
关键词：ZnO一维纳米结构 制备 独特性质 应用前景 中央民族大学本科生学年论文 引言 氧化锌纳米线是一种纳米尺度的线，换一种说法，纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构，这种尺寸上，量子力学效应很重要，因此也被称作“量子线”。氧化锌(ZnO)纳米结构的形态是已知纳米结构中最为多样的多功能材料之一，由于一维ZnO纳米结构在电子与光电子装置中如表面声波、光子晶体、光发射二极管、光电探测器、紫外激光器、生物，化学传感器、场效应晶体管等诸多领域均展现出其独特的物理化学性能，已经引起人们的极大研究热情．在生物传感、橡胶工业、国防工业、纺织工业、涂料防腐、生物医学等方面具有广阔的应用前景。
一、ZnO纳米线的制备 1.1气相生长法 气相法主要是指在制备过程中，源物质是气相或者通过一定的过程转化为气相。气相法制得的产物比较纯、直径较小、单分散性好、易得到超细的均匀线径，产率较高，但是反应条件苛刻，要求高温高能量，工艺技术复杂，能耗大，设备昂贵，成本较高。根据其源物质转化为气相的途径和方式的不同，气相法主要包括气相沉积法、气相传输法、激光烧蚀法(LPA)、直接热蒸发法、分子束外延法(MBE)等，下面介绍一下气相传输法。 气相传输法是将位于源区的ZnO原料高温加热变为气体，传输至温度低的生长区实现晶体生长。一般源区须有足够高的温度以产生化学激活、高的气体压力以及保持源区与生长区足够大的温度梯度以增加气体传输效率。此外，生长区要有适当的温度以使沉积的原子具有高的扩散迁移率，实现单晶生长。Y．X．Chen等人在不同温度区域制备出了ZnO纳米梳、纳米薄片和NW。生长机理主要是VLS和VS(气-固)机理。950～980℃温度下得到的是双边ZnO纳米梳，VS机理占主导作用；当温度下降到820～950℃，制得的是单边ZnO纳米梳和纳米薄片，是VLS和VS机理共同作用的结果；在710～820℃制得的是ZnO NW，生长机理为VLS。 1.2 固相生长法 中央民族大学本科生学年论文 原则上，固相热蒸发技术是一种简单有效的制备一维纳米材料方法，根据生长机理可分为气固(VS)和气液同(VLs)生长方法。通过控制固相反应条件，一维ZnO纳米材料的各种形态已被广泛合成，如：纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带、同轴纳米电等，各种异质的ZnO形态结构也已合成，如：四针状、纳米针和纳米桥、纳米弹簧和压电纳米环、纳米悬臂、纳米树枝、纳米笼等。固相法合成ZnO各种形态及阵列，发展其控制过程以及在基板上的组装，必将推动ZnO一维纳米材料的性能研究和应用。 1.3 液相生长法 液相法具有反应条件相对温和、设备简单、成本低廉的优点，但受溶液环境(如pH值、各组分浓度)的影响，组分比较复杂，产物形貌难控制，极易团聚与相互缠绕。根据生长方式和环境的不同，液 相法主要有水热法、微乳液法、电化学积法、溶剂热法等，下面介绍一下水热法。 水热法早在上世纪70年代就用来制备晶体。此法主要是以金属 盐、金属有机物的水溶液为前驱体液，在密封的压力容器、一定的温度压力下通过进行水溶液反应而制取样品。水热法的特点是制备的粒子纯度高、分散性好、晶型可控制，尤其是粒子的表面能低、团聚少。 1.4 模板生长法 模板法通过使用具有固定结构的材料(孔径为nm～μm级的多孔膜)作为模板，结合电化学沉淀法、溶胶-凝胶法等让生长晶种沉淀在模板的孔壁上，并在模板孔道的限制作用下生长，形成所需的一维纳米结构。模板法具有良好的可控性，可利用其空间限制作用对NW生长的尺寸、形貌、结构和排布等进行控制。模板合成法制备纳米结构材料具有下列特点：所用模板容易制备，合成方法简单；通过改变模板制备条件，如溶液成分、膜材料性质等，可优化模板如孔洞分布、孔径大小等结构，从而可合成形貌可控的一维纳米结构的材料；在模板孔中形成的NW容易分离。模板法也有不足，使用较多的是无机氧化物(如多孔氧化铝)模板，去除困难，会存留一定的杂质。 除以上四种主要合成一维ZnO纳米材料方法还有电化学沉积法以及各种方法的结合。 中央民族大学本科生学年论文 二、ZnO纳米线的性能 2.1 光学性能
2001年，Huang M．H等首次利用ZnO纳米线阵列成功制备了纳米激光器，ZnO一维纳米材料的发光特性开始受到国际上的广泛关注，经各课题组研究表明，室温下低能量(60W/cm2)激发的ZnO纳米线荧光谱图中，在3．26eV自由激子通过碰撞重组产生紫外激光发射，在2．44eV离子化氧空位的电子和光照产生的空穴激发重组产生绿光发射。HongS等研究不同尺度的ZnO纳米棒时间分辨光谱表明，辐射激子的结合速率随纳米棒长度的增加而降低，当纳米棒尺度降低到与激子光波波长相当时，出现皮秒时间分辨荧光，从而为设计高效纳米光电装置提供了标准。Yu S．F等还制备出ZnO/MgO纳米棒异质结构，观察到随机发光行为。在ZnO纳米线阵列激光激发的基础上，ParkW等利用金属有机气相分子束外延技术在P—GaN基板上生长n—ZnO纳米棒阵列，并用电流激活其异质结观察到电致发光现象，这种P—n结纳米棒表现出高的电流密度和发光强度，为开发新型光电纳米器件提供了可行性研究。这些工作最终可发展制备出真正的纳米线发光二极管、紫外激光探测器，并用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。 2.2 场发射性能 场发射阴极通常要求大的长径比和纳米级顶端、良好的导电特性、电子逸出功低。ZnO纳米线阵列形态的制备提供了其作为场发射阴极的研究，ZnO纳米线阵列在电流密度是0．1A／cm2时的阀值场 中央民族大学本科生学年论文 强为6．0V／m，达到场发射显示要求(1A／cm2)时所需的电场是1l V／m，场强增强因子为847，低于碳纳米管作为场发射阴极的性能(阀值场强为0．8V／m，电流密度达到场发射显示要求，场强增强因子为8 000。具有尖端的ZnO纳米针阵列的合成，大大提高了ZnO场发射性能，阀值电压为2．4V／m，在场强为7V／m时的电流密度 高达2．4A／cm2，并且其场发射稳定性进行观察，在2h内电流只有轻微波动，表明其作为场发射显示阴极材料的可能性。 2.3 电学性能 ParkW．J对A12O3基板上生长的ZnO和Au／ZnO异质结纳米棒阵列分别测量I—V曲线分析，它们均表现出非线性的I—V特征，其中Au／ZnO异质纳米棒明显改进了电性能，使反向击穿电压从一3V提高到一8V。这种非线性的I—V特征使ZnO纳米棒在纳米二极管、纳米光电开关等方面有潜在的应用价值。 ZnO一维纳米材料在微电子学和光电器件领域的另外一个重要的应用就是组装成P—n结，形成场效应晶体管。Ng H．T等利用ZnO纳米线阵列垂直组装出场效应晶体管，这种垂直组装结构和自下向上集成方法减少制备过程的复杂性，可应用于高密度的纳米存储和逻辑器件的制备。 氧化锌纳米线还具有其他许多的性能，在此不多介绍。
三、ZnO纳米线的应用前景 3.1 生物传感器上的应用 中央民族大学本科生学年论文 与通常生物传感器结构类似，使用纳米ZnO制备的生物传感器是由具有分子识别功能的生物敏感膜和充当转换器的znO一维纳米结构组成。目前的研究主要集中在两方面：一是根据敏感物质，主要研究生物酶传感器和生物蛋白质传感器；二是根据纳米线功能．主要研究场效应晶体管传感器和生物分子荧光探测等，下面简单介绍一下生物酶传感器中的ZnO尿酸酶生物传感器。 尿酸酶同葡糖糖酶类似，广泛存在于多种动植物中。在人体代谢过程中起着重要作用。使用尿酸酶生物传感器对人体血液中尿酸的浓度进行测定，对帮助诊断肿瘤、白血病和肾炎等疾病有非常重要的意义。Nakamura等报道了尿酸酶的固定及其应用。Mu等使用导电高聚物固定尿酸酶，具有较高的操作稳定性和快速的响应，但其活性随时间而降低。 Zhang等人使用戊二醛作为交联剂在ZnO纳米棒上固定尿酸酶。不仅尿酸酶被牢固的固定，而且提高了电子在酶与电极之间的传递，进而提高了传感器的灵敏度。但戊二醛具有生物毒性，该小组对此没有作深入研究。 3.2 橡胶工业中的应用 纳米氧化锌粒子较细，对胶料的硫化起步延迟作用较大。随着纳米氧化锌用量增加，其聚集倾向增强，硫化起步的延迟作用逐渐减慢，拉伸强度逐渐增高并趋于稳定，拉断伸长率逐渐降低并趋于稳定。当用量增大到超过5份时，出现填充效应，硫化起步的延迟作用开始变小，综合性能最佳。