纳米ZnO合成方法的研究现状

党 威 武

（陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院， 陕西 西安 710300）

纳米ZnO合成方法的研究现状

党 威 武

（陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院， 陕西 西安 710300）

ZnO作为优良的半导体材料，其纳米材料（如纳米线、纳米棒等）在光、电、磁等方面因具有独特的性能而被广泛的应用于各个领域，因此，纳米ZnO的制备在近些年得到充分的发展，主要的制备方法分为固相法、液相法和气相法三大类。就气相法和液相法中常用的几种方法进行研究进展分析，指出每类方法的优势和存在问题，并对纳米ZnO制备技术的发展趋势进行展望。

ZnO；制备；方法

ZnO作为一种宽禁带半导体材料，禁带宽度3.37 eV，常温常压下是稳定的纤锌矿结构。由于其成本低、环境友好、易掺杂及适于外延生长等优点成为重要的光电子器件材料之一。其纳米材料具有独特的光学性质、电学性质及磁学性质，如良好的光敏、光催化、近紫外散射、导电性和力学性能等特性，在光催化降解[1]、气敏材料[2,3]及太阳电池[4-6]等领域有着广泛的应用。

为了得到高质量的ZnO纳米材料以及实现可控制备，科研工作者探究与发展了多种制备方法，根据生长方式和控制方式分为固相法、液相法、气相法。固相法是将各种反应原料按照一定配比混合，借助研磨、煅烧等手段使其在一定条件下发生反应，从而制备出目标产物的方法，常用的有高能球磨法[7]、固相分解法[8]。液相法是指在化学溶液中进行的制备纳米材料的方法，该方法合成简单、成本低、可进行工业化生产，但产物晶形不够理想，存在大量缺陷。如水热法、微乳液法、溶剂热法、电化学沉积法等。气相法是通过高温加热等手段使反应前驱物转变成气体状态，在气流作用下运输至生长区，在基底上成核生长出目标产物的方法。该方法生长速度快，且产物均匀、纯度高、结晶性好，缺点是实验过程中影响因素较多，如反应时间、沉积温度、气流大小、前驱物与基底之间的距离等等。如化学气相沉积法、有机金属化学气相沉积、物理气相沉积法、分子束外延法等。因气相法和液相法制备纳米ZnO较为广泛，本文介绍其中几种主要制备方法的进展情况。

1 制备方法

1.1 气相法

Li等[9]利用气相传输法在不同类型的ZnO种层上制备出ZnO纳米棒（图1），并且研究了种层对ZnO形貌和生长行为的影响，发现ZnO纳米棒的阵列分布情况依赖于种层的厚度和表面粗糙度，结果显示具有沿c轴定向生长、结晶度好的ZnO种层能促进ZnO纳米棒阵列的较好定向生长，且ZnO纳米棒直径统一、分布致密。

Yoon等[10]采用化学气相沉积法在透明导电氧化物基底上垂直生长出ZnO纳米线阵列，见图2。合成步骤的关键是在基底上覆盖了一层铝箔，铝箔中间有一小口是为了保持过饱和度在最佳水平上。XRD（X射线衍射分析）表征显示产物是纤锌矿结构。

图1 气相传输法制备的ZnO纳米棒SEM照片Fig.1 SEM images of ZnO nanorods prepared by the vapor-phase transport method

图2 ZnO纳米线阵列的（a）截面示意图和（b）SEM照片Fig.2 (a) Cross-sectional schematic illustrations and (b) SEM image of ZnO nanowire arrays

Lin等[11]采用热蒸发法在透明导电氧化物基底上制备出一维纳米结构的ZnO，如图3所示，研究发现ZnO纳米锥、纳米棒、纳米线能被分别生长在无催化剂、Pt作催化剂以及Au作催化剂的导电玻璃上（Pt、Au是直径约10 nm的纳米颗粒），实验原料为锌粉，温度为400 ℃。XRD和TEM（透射电子显微镜）表征显示纳米ZnO沿c轴定向生长，结晶性良好。

图3 热蒸发法制备的ZnO（a）纳米锥，（b）纳米棒，（c）纳米线SEM照片Fig.3 SEM images of ZnO (a) nanocones, (b) nanorods, and (c) nanowires prepared by thermal evaporation method

1.2 液相法

Wen等[12]采用溶剂热法通过调节溶剂的配比和反应时间成功制备出各种形貌的纳米ZnO，有纳米线、纳米棒、纳米梭、纳米花等，如图4所示。结果显示，纳米线和纳米棒有高的长径比，分别大于500和50，物相均为结晶性好的单晶纤锌矿结构。文中还分析讨论生长步骤对产物形貌变化的影响。

Wang等[13]利用水热法在ZnO薄膜上制备出沿c轴定向ZnO纳米棒（图5），直径大约在30～100 nm，长度约几百纳米。生长 ZnO纳米棒的基底是具有SiO2绝缘层的硅晶片，并在其上通过溅射法沉积一层厚度为5 nm的ZnO薄膜，目的是便于ZnO纳米棒的成核生长，反应条件为90 ℃保温4 h。

图4 溶剂热法制备的纳米ZnO不同形貌SEM照片Fig.4 SEM images of ZnO nanostructures with different morphologies prepared by solvothermal method

图5 水热法制备的ZnO纳米棒SEM照片Fig.5 SEM images of ZnO nanorods prepared by hydrothermal method

2 展 望

综上，纳米 ZnO制备方法多样，为不同形貌ZnO纳米材料的可控生长，以及形貌、结构质量的提升奠定基础。然而，每种制备方法在探索和改进的同时，都伴随着相应的问题。如水热法成本低、实验条件简单、实验可重复性强，但制备的目标产物缺陷多。相反，气相沉积法制备的产物纯度高、结晶性好，但成本高且对实验条件、设备要求较高。因此，探索廉价、简单、产物质量高的制备方法是科研工作者不懈努力和追求的方向，这样，也为纳米材料的应用提供坚实的保障。

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Research Progress in Preparation Methods of Nanometer ZnO

DANG Wei-wu
（College of Mechanics, Shaanxi Institute of Technology, Shaanxi Xi’an 710300，China）

ZnO is an excellent semiconductor material; its nanomaterials (such as nanowires, nanorods and so on) have been widely used in various fields because of its unique properties in optical, electronic, and magnetic and other aspects. Therefore, preparation methods of nanometer ZnO have been fully developed in recent years, and these preparation methods include solid phase method, liquid phase method and gas-phase method. In this paper, research progress in several usual methods in gas-phase method and liquid phase method was analyzed, advantages and existing problems of each method were discussed, and development trend of nanometer ZnO preparation technology was prospected.

ZnO; Preparation; Method

TQ132.4

A

1671-0460（2014）11-2415-03

2014-05-17

党威武（1985-），男，陕西渭南人，助教，硕士，2011年毕业于陕西师范大学材料物理与化学专业，研究方向：从事纳米材料制备与应用工作。E-mail：dww046@snnu.edn.cn。