一維納米氧化鋅的研究

李晶華 張明熹 王偉 趙晨晨 王傳璐 蔡永豐 劉文靜 李鋒鋒

摘 要：本文分析一維納米氧化鋅的發展現狀，并對制備方法進行了簡單介紹，總結并討論了納米氧化鋅當前的任務和前景。

關鍵詞：納米氧化鋅；制備；現狀；任務

一、引言

準一維納米材料由于量子尺寸效應具有許多特異的物理、化學特性，是研究電子傳輸行為、光學特性和力學性能等物理性質的尺寸的理想系統，在構建納米電子和光學器件方面具有很大的應用潛力，近年來受到廣泛的關注。[1]一維納米氧化鋅特有的量子尺寸效應、界面效應和耦合效應，使其在紫外激光器、光波導器件、發光元件、表面聲波元件、太陽能電池窗口材料、壓敏電阻及氣體傳感器等方面有著廣泛的用途，被稱為“第三代半導體材料”。把鋅粉原料加入到高頻常壓熱等離子體弧中，使鋅粉加熱氣化，然后與加入等離子體反應器中的氧氣反應，合成出了直徑為50nm、長度超過2μm的一維棒狀納米氧化鋅。 研究了氧分壓和鋅粉加料速度對合成產物形貌的影響，結果表明，通過控制這些參數，可以調控合成的氧化鋅納米棒長徑比。采用XRD、SEM、TEM和HRTEM對產物的形貌和結構進行了表征，并表征了合成的氧化鋅納米棒的光致發光性能。

二、納米氧化鋅的國內外研究與發展

（一）納米氧化鋅的發展情況。ZnO是Ⅱ-Ⅵ族半導體，在室溫下其能隙為3.36eV，因其具有良好的光學、電學性質及強化學穩定性和高熔點，廣泛應用于各種光電學系統，如光散射儀器、光探測器、場致發光儀器、非線性光學儀器、透明傳導層、太陽能電池、表面聲波儀器、體聲波儀器等，因此在信息及軍事等領域有重要用途。

納米材料的制備在當前材料科學研究中占據極為重要的位置，新的制備工藝和過程的研究對納米材料的微觀結構和性能具有重要的影響[2]。納米ZnO的制造過程必須解決一些關鍵技術問題，主要有：尺寸、形貌和分布的控制；團聚體的控制與分散；表面的形態、缺陷、粗糙度、成分的控制，包括表面修飾和包覆；化學組分和微觀結構的均勻性控制；純度的控制；工藝穩定性、質量可重復性的控制；納米材料的穩定性及保存、運輸技術；所需的設備和方法要盡可能結構簡單、易于操作。

（二）一維納米氧化鋅的現狀與分析。因特殊的量子尺寸效應、界面和量子限制效應，納米尺度ZnO具有許多新奇的光、電以及力學特性，更適宜應用于室溫紫外發光、激光材料和光電子器件，對新型傳感器、存儲器件和場效應晶體管等開發研究也有重要的研究價值。納米ZnO有很強的自組織生長能力，在穩定的制備條件下，其分子間相互作用相當明顯，分子能嚴格按晶格排列外延生長，形成配比完整、成分單一的結構。利用納米ZnO的這種自組織行為可以獲得許多形態各異、有特殊用途的功能材料。隨著ZnO制備技術的同趨完善，時常有特殊形態的ZnO納米結構及納米器件的報道，最典型和重要的的幾種

ZnO納米形態有：納米線、納米棒、納米帶、納米針、螺旋納米結構和納米環等。

中科院力學所科研人員利用氣相沉積的方法成功合成了多種形貌的微納米氧化鋅材料，比如納米線、納米棒、納米錐、四足納米氧化鋅等，還實現了納米氧化鋅在碳納米管上的直接生長，并制備出多種獨特形貌的氧化鋅微納米材料，通過這種方法合成出來的材料具有很強的發光性能和催化活性。氧化鋅分為零維的、一維的。

（1）零維的。用沉淀法制備了納米ZnO，通過反應條件和工藝參數的控制得到了幾種不同粒徑分布范圍的納米級ZnO粉體，用AFM和XRD方法對納米ZnO樣品進行了表征，并著重研究了這些不同粒徑分布的粉體在紅外、紫外-可見光波段的吸收性能，且與普通ZnO進行了對比.結果表明：納米ZnO在紫外有強的寬帶吸收，對紫外光的吸收能力遠遠強于普通ZnO，且隨著波長的減小，吸收峰不斷增大，隨著納米ZnO粒徑的減小，其吸收帶邊向短波方向移動產生藍移現象；在可見光區，納米ZnO比普通ZnO對可見光的吸收較弱，有很好的透過率；紅外吸收能力隨著納米ZnO粒徑的減少而增強，同時紅外吸收出現紅移和寬化現象。（2）一維的。針對二極式場致發射顯示器（field

emission display， FED）驅動電壓過高的問題， 設計制作了前柵極式三極結構納米ZnO場致發射顯示器， 并進行了場致發射實驗， 驗證這種結構的可行性。前柵極結構采用噴砂工藝結合光刻技術， 制作出微細的柵孔結構， 實現了較低電壓的控制。同時對影響場致發射性能的柵極電壓、柵孔開口尺寸和介質層厚度進行了分析討論。實驗結果表明：采用三極結構四針狀納米ZnO場致發射顯示器具有良好的發射性能， 是一種有前途的場致發射顯示器。

三、一維納米氧化鋅的的制備方法簡介

近年來，人們采用許多不同的方法用來生長ZnO納米結構：固相化學反應法具有無需溶劑、轉化率高、工藝簡單、能耗低、反應條件易控制的特點，但反應過程往往進行不完全或過程中可能出現液化現象；氣相法在我國目前處于小試階段，欲達到工業化生產，還要解決一系列工程問題和設備材質問題，難以實現大規模工業化生產；液相法納米氧化鋅生產中，最常用的制備方法為均勻沉淀法，通過采取適當的方法改善其工藝條件，實現氧化鋅顆粒的大小、尺寸、形貌等微觀結構有目的地進行控制，使之能夠定向的生長，從而生產出各種尺寸、形貌的納米氧化鋅，并使制備出的產品具有很好的重復性和可靠性。

四、總結

目前ZnO納米材料和納米結構的研究重點為：1）制備方法的改進和探索，主要是繼續探索新方法，低溫制備產量高、尺寸和結構形態可控的準一維納米材料；2）生長模型的建立。通過對單個一維納米單元的物理化學的研究，找出生長過程與尺寸、形貌的關系，建立普適的生長規律；3）發光特性研究。通過方法的改善、摻雜等手段，得到高效的紫外-藍綠發光，為制造光電子器件打下基礎。因此研究一維納米材料發光材料，對于擴展其在激光器及其光、電納米器件領域中的應用研究具有重要的理論意義和應用價值。

參考文獻：

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[3]Wang Q P， Zhang D H， Ma H L， et al. Photoluminescence of ZnO films excited with light of different wavelength[J]. Applied Surface Science， 2003， 207（1-4）： 20-25

[4] 馮程程.ZnO一維納米材料的制備及其性能研究[D].江蘇大學

[5] 楊洪偉，王迎春，曹傳寶，何永清.氧化鋅納米棒微球的水熱制備及其氣敏性質研究[J].材料工程.2007（2）：3-6