一维纳米氧化锌的研究

李晶华 张明熹 王伟 赵晨晨 王传璐 蔡永丰 刘文静 李锋锋

摘 要：本文分析一维纳米氧化锌的发展现状，并对制备方法进行了简单介绍，总结并讨论了纳米氧化锌当前的任务和前景。

关键词：纳米氧化锌；制备；现状；任务

一、引言

准一维纳米材料由于量子尺寸效应具有许多特异的物理、化学特性，是研究电子传输行为、光学特性和力学性能等物理性质的尺寸的理想系统，在构建纳米电子和光学器件方面具有很大的应用潜力，近年来受到广泛的关注。[1]一维纳米氧化锌特有的量子尺寸效应、界面效应和耦合效应，使其在紫外激光器、光波导器件、发光元件、表面声波元件、太阳能电池窗口材料、压敏电阻及气体传感器等方面有着广泛的用途，被称为“第三代半导体材料”。把锌粉原料加入到高频常压热等离子体弧中，使锌粉加热气化，然后与加入等离子体反应器中的氧气反应，合成出了直径为50nm、长度超过2μm的一维棒状纳米氧化锌。 研究了氧分压和锌粉加料速度对合成产物形貌的影响，结果表明，通过控制这些参数，可以调控合成的氧化锌纳米棒长径比。采用XRD、SEM、TEM和HRTEM对产物的形貌和结构进行了表征，并表征了合成的氧化锌纳米棒的光致发光性能。

二、纳米氧化锌的国内外研究与发展

（一）纳米氧化锌的发展情况。ZnO是Ⅱ-Ⅵ族半导体，在室温下其能隙为3.36eV，因其具有良好的光学、电学性质及强化学稳定性和高熔点，广泛应用于各种光电学系统，如光散射仪器、光探测器、场致发光仪器、非线性光学仪器、透明传导层、太阳能电池、表面声波仪器、体声波仪器等，因此在信息及军事等领域有重要用途。

纳米材料的制备在当前材料科学研究中占据极为重要的位置，新的制备工艺和过程的研究对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响[2]。纳米ZnO的制造过程必须解决一些关键技术问题，主要有：尺寸、形貌和分布的控制；团聚体的控制与分散；表面的形态、缺陷、粗糙度、成分的控制，包括表面修饰和包覆；化学组分和微观结构的均匀性控制；纯度的控制；工艺稳定性、质量可重复性的控制；纳米材料的稳定性及保存、运输技术；所需的设备和方法要尽可能结构简单、易于操作。

（二）一维纳米氧化锌的现状与分析。因特殊的量子尺寸效应、界面和量子限制效应，纳米尺度ZnO具有许多新奇的光、电以及力学特性，更适宜应用于室温紫外发光、激光材料和光电子器件，对新型传感器、存储器件和场效应晶体管等开发研究也有重要的研究价值。纳米ZnO有很强的自组织生长能力，在稳定的制备条件下，其分子间相互作用相当明显，分子能严格按晶格排列外延生长，形成配比完整、成分单一的结构。利用纳米ZnO的这种自组织行为可以获得许多形态各异、有特殊用途的功能材料。随着ZnO制备技术的同趋完善，时常有特殊形态的ZnO纳米结构及纳米器件的报道，最典型和重要的的几种

ZnO纳米形态有：纳米线、纳米棒、纳米带、纳米针、螺旋纳米结构和纳米环等。

中科院力学所科研人员利用气相沉积的方法成功合成了多种形貌的微纳米氧化锌材料，比如纳米线、纳米棒、纳米锥、四足纳米氧化锌等，还实现了纳米氧化锌在碳纳米管上的直接生长，并制备出多种独特形貌的氧化锌微纳米材料，通过这种方法合成出来的材料具有很强的发光性能和催化活性。氧化锌分为零维的、一维的。

（1）零维的。用沉淀法制备了纳米ZnO，通过反应条件和工艺参数的控制得到了几种不同粒径分布范围的纳米级ZnO粉体，用AFM和XRD方法对纳米ZnO样品进行了表征，并着重研究了这些不同粒径分布的粉体在红外、紫外-可见光波段的吸收性能，且与普通ZnO进行了对比.结果表明：纳米ZnO在紫外有强的宽带吸收，对紫外光的吸收能力远远强于普通ZnO，且随着波长的减小，吸收峰不断增大，随着纳米ZnO粒径的减小，其吸收带边向短波方向移动产生蓝移现象；在可见光区，纳米ZnO比普通ZnO对可见光的吸收较弱，有很好的透过率；红外吸收能力随着纳米ZnO粒径的减少而增强，同时红外吸收出现红移和宽化现象。（2）一维的。针对二极式场致发射显示器（field

emission display， FED）驱动电压过高的问题， 设计制作了前栅极式三极结构纳米ZnO场致发射显示器， 并进行了场致发射实验， 验证这种结构的可行性。前栅极结构采用喷砂工艺结合光刻技术， 制作出微细的栅孔结构， 实现了较低电压的控制。同时对影响场致发射性能的栅极电压、栅孔开口尺寸和介质层厚度进行了分析讨论。实验结果表明：采用三极结构四针状纳米ZnO场致发射显示器具有良好的发射性能， 是一种有前途的场致发射显示器。

三、一维纳米氧化锌的的制备方法简介

近年来，人们采用许多不同的方法用来生长ZnO纳米结构：固相化学反应法具有无需溶剂、转化率高、工艺简单、能耗低、反应条件易控制的特点，但反应过程往往进行不完全或过程中可能出现液化现象；气相法在我国目前处于小试阶段，欲达到工业化生产，还要解决一系列工程问题和设备材质问题，难以实现大规模工业化生产；液相法纳米氧化锌生产中，最常用的制备方法为均匀沉淀法，通过采取适当的方法改善其工艺条件，实现氧化锌颗粒的大小、尺寸、形貌等微观结构有目的地进行控制，使之能够定向的生长，从而生产出各种尺寸、形貌的纳米氧化锌，并使制备出的产品具有很好的重复性和可靠性。

四、总结

目前ZnO纳米材料和纳米结构的研究重点为：1）制备方法的改进和探索，主要是继续探索新方法，低温制备产量高、尺寸和结构形态可控的准一维纳米材料；2）生长模型的建立。通过对单个一维纳米单元的物理化学的研究，找出生长过程与尺寸、形貌的关系，建立普适的生长规律；3）发光特性研究。通过方法的改善、掺杂等手段，得到高效的紫外-蓝绿发光，为制造光电子器件打下基础。因此研究一维纳米材料发光材料，对于扩展其在激光器及其光、电纳米器件领域中的应用研究具有重要的理论意义和应用价值。

参考文献：

[1] Tang EJ， Cheng GX， Pang XS. Colliod and Polymer Science[J]. 2006，284（4）：422-428

[2] Huang M H， Mao S， et al. Room-temperature ultraviolet nanowire nanolasers. Science， 2001， 292（5523）：1897

[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一维纳米材料的制备及其性能研究[D].江苏大学

[5] 杨洪伟，王迎春，曹传宝，何永清.氧化锌纳米棒微球的水热制备及其气敏性质研究[J].材料工程.2007（2）：3-6