氧化鋅納米材料的制備與應用

高生平，張賢澤，華靖童，孫莉莉，陳　宇，陳嘯琦，李　煜，李香琦，李　會

(南京工業大學浦江學院 新能源新材料研究院 創新創業培訓中心，江蘇 南京　211134)

半導體材料ZnO是直接寬帶隙半導體材料，禁帶寬度約為3.37eV，常溫下激子束縛能為60meV，所以束縛激子不易產生熱離化現象，一般呈現出六角纖鋅礦結構。近幾年，受到世界范圍內半導體材料及器件研究者的廣泛關注。因為ZnO半導體材料具有良好的物理性(導電性、壓電性、光電性等)和化學性(穩定性、氣敏性等)，可應用于如場效應管，壓電傳感器，紫外光探測器，LED，紫外激光器，氣敏傳感器等器件中。使用不同的生長方法或不同的生長條件，最終制備的ZnO納米材料的生長結構也不盡相同，可呈現為納米點，納米線，納米帶，納米環，納米管等多種結構。研究ZnO納米結構的制備與其在各個領域的應用，以期可以提高制備的效率、降低成本，應用于更多的領域，促進相應領域的發展。

1　ZnO的研究歷史及現狀

美國物理學家理查德o費曼于1959年提出納米材料的概念[1]。1982年掃描隧道顯微鏡(STM), 使人類第一次能夠觀察到單個原子。1991年，日本物理學家飯島澄男第一次發現碳納米管(CNT)[2]，引發了許多科研人員的關注，由于其優異的特性使得人們開始深入研究[3]。

對于ZnO納米材料的光電方面研究，早在2001年ZnO納米結構已經被應用于了光電器件并制成了納米紫外激光器[4]，在這之后楊佩東教授的課題組制備出ZnO納米線并應用在了染料敏化太陽能電池[5]。而對于ZnO納米材料的電學方面研究，王中林教授及其小組在這方面的建樹頗豐——根據對于納米材料電學的探索，并以一系列研究的成果為基礎創立了壓電電子學[6]。2006年利用壓電效應開發了第一臺納米壓電發電機[7]；2007他們開發出了用超聲波震蕩實現穩定輸出的納米直流發電機[8]；2008，使用納米線陣列達成了ZnO納米纖維的發電[9]；2009，提出了橫線固定納米線的納米發電機[10]。

目前，環保問題日益突出的今天光催化氧化作為一項環境友好型技術，ZnO在這方面表現出很強的優勢，得到了人們的廣泛關注與研究[11-12]。光電方面ZnO納米管作為敏化太陽電池的光陽極的染料，提高光電效率有著重要作用[13]一維ZnO納米材料的制備方法的研究以及相應的生長機理或是生長過程依舊是研究的熱點。還有一部分研究人員致力于ZnO納米材料的摻雜技術的研究，試圖找到一種合理、重復性好、摻雜后結構穩定的摻雜方法。

現階段的熱點是研究一維氧化鋅納米材料生長機理，控制其生長過程及性狀；提高制備效率，得出高質量的氧化鋅結晶。研究對氧化鋅復合、摻雜的其他材料，提高研究者們所需要的性能。

2　ZnO的結構與性質

2.1　氧化鋅的晶體結構

(a) 纖鋅礦結構;(b)巖鹽礦結構；(c)閃鋅礦結構

圖1ZnO的三種晶體結構

氧化鋅主要有三種結構(圖1)[14]。最常見的是六方型的纖鋅礦結構與四方型閃鋅礦的結構 ,還有一種巖鹽結構, 能夠在高壓力下形成在一定的條件下，這幾種形態是會互相轉換。

2.2　氧化鋅的電學特性

氧化鋅作為半導體材料中重要的一種，其電學性能受到研究人員的廣泛關注。氧化鋅的帶隙非常寬，常溫下禁帶寬度高達3.37eV，載流子濃度極低，約為106cm-3，屬于絕緣材料。但是在實際中制備的氧化鋅一般呈現為n型半導體，并非是絕緣材料。這是因為實際制備氧化鋅材料時會有雜質及缺陷，這些缺陷就提供了電子，使得氧化鋅材料成為了半導體。ZnO一般情況下為n型半導體，制備n型ZnO材料的技術已經較為成熟。但制備p型氧化鋅半導體的卻是目前所遇到的難題，如何制備高質量的p型氧化鋅半導體是接下來研究的要點。

2.3　氧化鋅的發光特性

氧化鋅的發光特性主要有以下幾種。在常溫下，ZnO激子的束縛能高達60meV，ZnO的自由激子在庫侖力的作用下復合發光。電子在ZnO導帶和帶價的空穴、能帶與缺陷能級之間進行的躍遷產生的發光。

2.4　氧化鋅的壓電特性

不受到外界應力影響時，氧化鋅材料為電中性；當外界給予氧化鋅材料作用力時，氧化鋅會在受力的方向上產生電荷。氧化鋅材料根據受力的情況產生相應的電量，受力越大產生的電量就越大。

3　氧化鋅的應用

由于ZnO納米材料體材料具有良好的光學性能、電學性能、氣敏性能、光催化性能等，現在受到廣泛的關注與研究。目前ZnO納米材料可以應用于壓電器件、氣敏傳感器、太陽能電池、發光二極管等器件，同時也作為優秀的金屬氧化物光催化劑應用于環保方面。

3.1　傳感器材料[15]

根據隨表面吸附氣體濃度和種類的不同ZnO的電阻率也會發生變化。純ZnO對常見的氣體都具有一定的敏感度；通過將材料復合形成復合金屬氧化物來調整傳感器性能的參數，以此用來制備效果好的敏感電子傳感器件。

3.2　環保領域[16]

近年來，環境問題日益嚴峻。金屬氧化物半導體催化劑可以應用于環境修復，而ZnO納米材料就擁有優秀的光催化性能。處于日光照射的狀態下， ZnO納米材料催化反應的速度快，散射低。在氧化鋅中摻入其他特定材料進行復合來提高ZnO的光吸收響應能力，促使光生電子和空穴的有效分離，提高光催化活性，使得ZnO的光催化活性、光化學穩定性及耐腐蝕性均得以增強。它在環境方面的應用還包括污水凈化、光催化制氫和抗菌等。

3.3　壓電器件[17]

近年來，對ZnO納米材料一些性能之間的稱合作用的研究的關注越來越多，特別壓電與半導體特性的稱合作用，即壓電電子學效應。利用壓電特性可以構建壓電納米發電機[10]，實現供電給其他納米器件使用；制作利用壓力產生的壓電觸發邏輯電子器件，用于壓力觸發的開關；優化其他電子器件等。

4　結論

(1)ZnO納米管的制備方法有很多，目前采用較多的有水熱法、模板法、電沉積法、化學溶解法等來制備。

(2)ZnO一維納米結構多樣，在光電、壓電、氣敏等多個均有發展潛力。

(3)根據當前的發展情況來看，ZnO納米材料在各個方面的實際應用已經有了部分進展，使用ZnO納米材料的產品性能均有不同程度的提高與優化，但是仍有不少產品還處于試驗與開發階段。所以開發能使ZnO納米材料的優異性能更好地發揮，制造技術與工藝更成熟，性價比更高的產品，都是值得進一步研究的方面。