zno纳米线地的研究进展

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1、实用标准文案ZnO纳米线的研究进展摘要：ZnO纳米线是很重要的准一维纳米材料。本文主要介绍ZnO纳米线的合成、结构分析、特性和应用。首先，本文讨论了纳米线合成步骤的设计以及分别通过气相和化学生长方法合成纳米线。其次，本文描述了ZnO纳米线独特的光电性能和气敏特性。最后，本文对一些使用纳米线制作的新器件和应用进行了跟踪报道，如超灵敏的化学生物纳米传感器，染料太阳能电池，发光二极管，纳米激光器等。1.引言在纳米技术领域，最引人注目并且最具代表性的一维纳米结构主要有三种：碳纳米管、硅纳米线和ZnO纳米线/纳米带。ZnO作为一种优良的纳米材料，已经引起人们很大的兴趣。ZnO作为一种重要的半导体材料

2、，在光学、光电子学、能源、生物科技等方面有广泛的应用（图1）[1]。它所展现出的丰富的纳米结构形态，是其它材料无法比拟的。图1ZnO特性和应用的概要[1]2.ZnO的晶体结构通常情况下，ZnO具备纤锌矿结构，其晶胞为六角形，空间群为C6mc，晶格常数为a=0.3296nm，c=0.52065nm。O2-和Zn2+构成正四面体单元，整个结构缺乏中心对称。ZnO的结构可以简单描述为：由O2-和Zn2+构成的正四面体组成的大量交互平面，沿c轴叠加形成的，如图2所示[2]。精彩文档实用标准文案图2ZnO的纤锌矿结构[2]3.ZnO纳米线的合成氧化物纳米结构的合成主要通过高温下的物理气相生长途径和低

3、温下的化学途径。3.1VLS生长纳米线可以应用于制作激光器、发光二极管及场效应晶体管。ZnO纳米线生长需要用到基底和晶体颗粒。大规模优良的垂直ZnO纳米线阵列最早生长在（110）晶面取向的蓝宝石基底上，其中用Au纳米颗粒做催化剂[3]。不像通常的VLS过程，纳米线阵列的生长需要适当的生长速率，因为催化剂需要是熔融态，并且构成合金，从而一步步凝结，最后在蓝宝石表面上完成外延生长。因此，需要相对较低的生长温度来减小气体浓度。把ZnO和石墨粉末混合在一起，也就是碳热蒸发，可以把气化温度从1300℃降低到900℃。生长在蓝宝石基底上的ZnO纳米线阵列的典型形态如图3所示，所有的纳米线都垂直于基底表

4、面。图3垂直生长的ZnO纳米线的SEM图像（30º倾斜角）[3]精彩文档实用标准文案通过VLS方法，ZnO纳米线阵列已经可以在蓝宝石、GaN、AlGaN和AlN基底上成功生长[4]。这里基底的晶体结构对纳米线生长的取向影响很大。基底表面和ZnO纳米线之间的外延关系决定了纳米线是否成阵列生长以及是否成直线生长。在蓝宝石和氮化物基底上成功生长出纳米线阵列，可以归因于基底和ZnO之间的晶格失配很小。而纳米线的质量由很多其他因素控制，主要归纳于三个方面：环境压强、氧分压[5]和催化剂薄层的厚度[6]。其中氧分压和系统总压强在ZnO纳米线生长过程中起着关键作用。3.2化学水热合成法水热合成法是一种很

5、好的ZnO纳米线合成方法，其主要利用薄膜或纳米颗粒形式的ZnO晶核合成纳米线[7,8]。最近，Z.L.Wang报道了一种不使用ZnO晶核的纳米线阵列密度受控的化学生长方法[9]。通过调整初期生长溶液的浓度，ZnO纳米线的密度可以控制在与点状生长相同的数量级。这种新颖的合成技术不需要使用ZnO晶核和外加电场，能够在低温下完成，可以在任何基底上生长，不管是晶体还是非晶体的基底。为简化描述，使用Si基底来描述实验过程，同时说明不同环境因素对纳米线生长的影响。首先，使用标准的清洗程序对（100）硅片基底进行清洗。接着，在硅片上沉积一层50nm厚的Au膜，作为过渡层来辅助生长。另外，在硅片和Au膜之

6、间沉积一层20nm厚的Ti膜，作为粘结层，来减小晶格失配和提高界面的结合力。然后基底在300℃下退火1h。接着准备反应溶液，反应溶液由硝酸锌和（CH2）6N4（HMTA）按1：1的比例组成。基底朝下放到溶液的表面，由于表面张力，基底可以漂浮在溶液表面上。研究发现，初期溶液的浓度决定纳米线的密度（见图4a-c），生长时间和温度控制ZnO纳米线的形态和纵横比。图4硝酸锌浓度为5mM时，70℃下生长24h后的ZnO纳米线阵列：（a）顶视图；（b）放大的顶视图；（c）60º倾斜角下视图[9]基底上ZnO纳米线的密度由硝酸锌和HMTA配成的溶液的浓度控制。为了探索溶液浓度与ZnO纳米线阵列之间的关系

7、，进行了一系列实验：变化溶液的浓度，但保持硝酸锌和HMTA之间的比值不变。实验结果显示，纳米线阵列的密度与溶液的浓度紧密相关。测量数据的详细分析显示在图5中（红线）。硝酸锌的浓度从0.1mM到5mM精彩文档实用标准文案，ZnO纳米线的密度明显增加，原因可能为：随着Zn浓度的增加，溶液中Zn的化学势能也随之增加。为了平衡溶液中Zn增加的化学势能，基底表面将产生更多的成核位置。这样，ZnO纳米线的密度就增加了。当进一步增加Z