zno和tio2微纳结构阵列的制作、表征及电化学生物传感性能概述

《zno和tio2微纳结构阵列的制作、表征及电化学生物传感性能概述》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、ZnO和TiO2微纳结构阵列的制作、表征及电化学生物传感性能概述第一章绪论1.1引言纳米科技的发展到目前为止仅有近30年的时间，但纳米材料作为纳米科技中最为基础且最为重要的组成部分已经在微电子、生物医学、环境治理、新能源等众多领域引起广泛的研究和应用，可以说纳米技术和纳米材料已经渗透到各个科技产业领域，推动了科学技术及新兴学科的发展，在未来仍有无限的发展空间。纳米结构是组成纳米材料的基本单元，会使所组成的纳米材料具有特殊的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子險道效应等特性，使得其能够产生很多体材料所不

2、具备的特性及性能，这些性能还会根据纳米结构的形貌、尺寸等因素的改变而变化，尤其是对利于器件化发展的纳米结构阵列来说，纳米阵列的密度、尺寸等都会影响器件的性能，因此对纳米结构进行调控具有重要意义。氧化锌(ZnO)和二氧化钬(TiCb)是非常重要的一类氧化物半导体材料，均属于宽禁带半导体。纳米尺度的Zn?和Ti02具有丰富多样的微观形貌，同时也具有高比表面积、良好的生物相容性、无毒性、化学及光化学稳定性、电化学活性及高电子传输能力等特点，使得ZnO和Ti02纳米结构在光电、声表面波、场发射、压电、太阳能电池和传感

3、等器件上有重要应用，通过纳米结构的调控及掺杂等手段，还可以进一步对性能进行优化和改进。ZnO和Ti02纳米结构还可以在很多交叉学科领域显现出优势，如电化学生物传感器这种将生命科学、化学、物理学与信息技术相结合的交叉学科。电化学生物传感器在生物医学、环境监测、食品及工业检测等领域有重要应用价值，在电化学生物传感器工作电极的制备中引入纳来结构材料是目前此类领域的研究热点，尤其是具有高比表面积、优秀的生物相容性、安全无毒性、高电子传输能力等特点的纳米材料，因为这类纳米结构可以为酶的固定提供更多的活性位点，可以高效吸

4、附酶且保持酶的活性，有效提高酶活性中心与电极之间的电子传输速率，实现直接电子转移，最终获得高灵敏度的电化学传感性能。ZnO和Ti02纳米结构除了具备上述的优良特性，同时还具有丰富的形貌，也因此使它们成为电化学生物传感器制备过程中理想的工作电极材料。1.2纳米结构材料纳米技术领域是近年来迅速发展的多学科交叉领域，涉及到化学、物理学、生命科学及工程学等众多学科⑴，这一研究领域可以让人们对于许多新的现象有所认知。纳米结构材料是纳米技术的研究基础，可以通过改变微观纳米结构实现材料的优越性能及多功能性，同时，纳来结构材

5、料尤其是纳来结构阵列的研究使得器件的整合密度迖到了一个新的高度。因此，对于纳米结构的制备及性能研究在许多领域有重要的意义。1.2.1纳米效应相比于传统体材料，纳米材料具有很多特殊的物理和化学特性，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等，这些效应会使纳米材料在光、电、磁、声、催化等方面有特殊的应用，也使得纳米材料成为众多领域的研究热点。量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到与其激子波尔半径相近时，其费米能级附近的准连续态电子能级将分裂成为分立能级，导致带隙变宽，吸收光谱发生蓝移，这种现象

6、称为量子尺寸效应。量子尺寸效应会使材料本身的光、电、磁、声、热及超导等特性发生改变。小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与光波波长及传导电子的德布罗意波长等物理特征尺寸相近或者更小时，会引起其周期性边界的破坏，导致这种尺寸的纳米粒子的电学、磁学、光学及热力学等特性发生极大改变。例如金属纳米粒子对光的反射率极低，金属材料纳米化后会使其从原有的颜色变为黑色，应用于各种光电和光热转换器件，可以极大的提高转换效率。表面效应：纳米粒子随粒径的减小，其表面原子数与总原子数之比激增，因此纳来粒子具有高的比表面积、表面能及表面张力，

7、从而使得纳来粒子能够表现出很高的化学活性，可用于开发新型高效的催化剂及储氫材料。宏观量子喊道效应：隨道效应是指当微观粒子的能量小于势查高度时，仍具有贯穿势鱼的能力。近年来，一些研究发现纳米颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等宏观量也具有随道效应，因此被称为宏观量子險道效应。这种效应对微电子器件的研究有重要作用和意义，它限定了现存的微电子器件信息存储的极限，同时，在半导体微型化器件制造时也要考虑宏观量子随道效应，控制电路尺寸，防止电子溢出。介电限域效应：介电限域现象是指当纳米粒子分散在异质介质中时，由于界面

8、而使得纳米粒子表面和内部的局域场强增强，从而引起体系的介电增强。当纳米粒子与介质的折射率相差很大时，会导致粒子表面及内部的场强增加，并明显强于入射场强，因此用较小介电常数的介质包覆纳米半导体材料时，会改变纳米材料的光学性质，产生介电限域效应。介电限域效应会对过渡族金属氧化物以及半导体纳米颗粒的光学非线性、光吸收和光化学等特性产生重要影响。第二章实验与表征手段本研究采用湿化学法制备ZnO及TiCb微纳