氧化锌纳米材料的制备与应用

高生平，张贤泽，华靖童，孙莉莉，陈　宇，陈啸琦，李　煜，李香琦，李　会

(南京工业大学浦江学院 新能源新材料研究院 创新创业培训中心，江苏 南京　211134)

半导体材料ZnO是直接宽带隙半导体材料，禁带宽度约为3.37eV，常温下激子束缚能为60meV，所以束缚激子不易产生热离化现象，一般呈现出六角纤锌矿结构。近几年，受到世界范围内半导体材料及器件研究者的广泛关注。因为ZnO半导体材料具有良好的物理性(导电性、压电性、光电性等)和化学性(稳定性、气敏性等)，可应用于如场效应管，压电传感器，紫外光探测器，LED，紫外激光器，气敏传感器等器件中。使用不同的生长方法或不同的生长条件，最终制备的ZnO纳米材料的生长结构也不尽相同，可呈现为纳米点，纳米线，纳米带，纳米环，纳米管等多种结构。研究ZnO纳米结构的制备与其在各个领域的应用，以期可以提高制备的效率、降低成本，应用于更多的领域，促进相应领域的发展。

1　ZnO的研究历史及现状

美国物理学家理查德o费曼于1959年提出纳米材料的概念[1]。1982年扫描隧道显微镜(STM), 使人类第一次能够观察到单个原子。1991年，日本物理学家饭岛澄男第一次发现碳纳米管(CNT)[2]，引发了许多科研人员的关注，由于其优异的特性使得人们开始深入研究[3]。

对于ZnO纳米材料的光电方面研究，早在2001年ZnO纳米结构已经被应用于了光电器件并制成了纳米紫外激光器[4]，在这之后杨佩东教授的课题组制备出ZnO纳米线并应用在了染料敏化太阳能电池[5]。而对于ZnO纳米材料的电学方面研究，王中林教授及其小组在这方面的建树颇丰——根据对于纳米材料电学的探索，并以一系列研究的成果为基础创立了压电电子学[6]。2006年利用压电效应开发了第一台纳米压电发电机[7]；2007他们开发出了用超声波震荡实现稳定输出的纳米直流发电机[8]；2008，使用纳米线阵列达成了ZnO纳米纤维的发电[9]；2009，提出了横线固定纳米线的纳米发电机[10]。

目前，环保问题日益突出的今天光催化氧化作为一项环境友好型技术，ZnO在这方面表现出很强的优势，得到了人们的广泛关注与研究[11-12]。光电方面ZnO纳米管作为敏化太阳电池的光阳极的染料，提高光电效率有着重要作用[13]一维ZnO纳米材料的制备方法的研究以及相应的生长机理或是生长过程依旧是研究的热点。还有一部分研究人员致力于ZnO纳米材料的掺杂技术的研究，试图找到一种合理、重复性好、掺杂后结构稳定的掺杂方法。

现阶段的热点是研究一维氧化锌纳米材料生长机理，控制其生长过程及性状；提高制备效率，得出高质量的氧化锌结晶。研究对氧化锌复合、掺杂的其他材料，提高研究者们所需要的性能。

2　ZnO的结构与性质

2.1　氧化锌的晶体结构

(a) 纤锌矿结构;(b)岩盐矿结构；(c)闪锌矿结构

图1ZnO的三种晶体结构

氧化锌主要有三种结构(图1)[14]。最常见的是六方型的纤锌矿结构与四方型闪锌矿的结构 ,还有一种岩盐结构, 能够在高压力下形成在一定的条件下，这几种形态是会互相转换。

2.2　氧化锌的电学特性

氧化锌作为半导体材料中重要的一种，其电学性能受到研究人员的广泛关注。氧化锌的带隙非常宽，常温下禁带宽度高达3.37eV，载流子浓度极低，约为106cm-3，属于绝缘材料。但是在实际中制备的氧化锌一般呈现为n型半导体，并非是绝缘材料。这是因为实际制备氧化锌材料时会有杂质及缺陷，这些缺陷就提供了电子，使得氧化锌材料成为了半导体。ZnO一般情况下为n型半导体，制备n型ZnO材料的技术已经较为成熟。但制备p型氧化锌半导体的却是目前所遇到的难题，如何制备高质量的p型氧化锌半导体是接下来研究的要点。

2.3　氧化锌的发光特性

氧化锌的发光特性主要有以下几种。在常温下，ZnO激子的束缚能高达60meV，ZnO的自由激子在库仑力的作用下复合发光。电子在ZnO导带和带价的空穴、能带与缺陷能级之间进行的跃迁产生的发光。

2.4　氧化锌的压电特性

不受到外界应力影响时，氧化锌材料为电中性；当外界给予氧化锌材料作用力时，氧化锌会在受力的方向上产生电荷。氧化锌材料根据受力的情况产生相应的电量，受力越大产生的电量就越大。

3　氧化锌的应用

由于ZnO纳米材料体材料具有良好的光学性能、电学性能、气敏性能、光催化性能等，现在受到广泛的关注与研究。目前ZnO纳米材料可以应用于压电器件、气敏传感器、太阳能电池、发光二极管等器件，同时也作为优秀的金属氧化物光催化剂应用于环保方面。

3.1　传感器材料[15]

根据随表面吸附气体浓度和种类的不同ZnO的电阻率也会发生变化。纯ZnO对常见的气体都具有一定的敏感度；通过将材料复合形成复合金属氧化物来调整传感器性能的参数，以此用来制备效果好的敏感电子传感器件。

3.2　环保领域[16]

近年来，环境问题日益严峻。金属氧化物半导体催化剂可以应用于环境修复，而ZnO纳米材料就拥有优秀的光催化性能。处于日光照射的状态下， ZnO纳米材料催化反应的速度快，散射低。在氧化锌中掺入其他特定材料进行复合来提高ZnO的光吸收响应能力，促使光生电子和空穴的有效分离，提高光催化活性，使得ZnO的光催化活性、光化学稳定性及耐腐蚀性均得以增强。它在环境方面的应用还包括污水净化、光催化制氢和抗菌等。

3.3　压电器件[17]

近年来，对ZnO纳米材料一些性能之间的稱合作用的研究的关注越来越多，特别压电与半导体特性的稱合作用，即压电电子学效应。利用压电特性可以构建压电纳米发电机[10]，实现供电给其他纳米器件使用；制作利用压力产生的压电触发逻辑电子器件，用于压力触发的开关；优化其他电子器件等。

4　结论

(1)ZnO纳米管的制备方法有很多，目前采用较多的有水热法、模板法、电沉积法、化学溶解法等来制备。

(2)ZnO一维纳米结构多样，在光电、压电、气敏等多个均有发展潜力。

(3)根据当前的发展情况来看，ZnO纳米材料在各个方面的实际应用已经有了部分进展，使用ZnO纳米材料的产品性能均有不同程度的提高与优化，但是仍有不少产品还处于试验与开发阶段。所以开发能使ZnO纳米材料的优异性能更好地发挥，制造技术与工艺更成熟，性价比更高的产品，都是值得进一步研究的方面。