ZnO纳米材料的合成及性能表征文献综述

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1、文献综述ZnO纳米材料的合成及性能表征一、前言纳米科学技术((Nano-ST)是20世纪80年代中期诞生并正在迅猛发展的前沿性、交叉性的高科技新兴学科领域[1]。它是研究由尺寸在0.1～100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能在实际应用中的技术问题的一门科学技术[2]。一般来说，纳米科学是研究纳米尺度范畴内物质运动和变化的科学，而在同样尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术则为纳米技术。从广义上讲，纳米科学技术不仅是尺度的纳米化，而是在一种有别于宏观和微观领域的介观领域中认识和改造自然，使人类进入崭新世界的科学技术。纳米科技的研究内容包括：创造和制备优异性能的纳米材料

2、；设计、制备各种纳米器件和装置；探测和分析纳米区域的性质和现象。纳米科技主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学和纳米力学等7个相对独立的部分。ZnO是直接带隙宽禁带半导体材料，有立方相的闪锌矿、立方岩盐矿和六方相的纤锌矿三种不同的晶体结构，室温下只有纤锌矿结构是热力学稳定结构。纤锌矿结构ZnO为六方结构，晶格常数是：a=0.3296，c=0.520，c/a=1.60。在纤锌矿ZnO晶体中，锌(Zn)、氧(O)各自组成一个六方密堆结构的子格子，这两个子格子沿c轴平移0.385nm，形成复格子结构，每个Zn原子和最近邻的四个O原子构成一个四面体结构；同

3、样，每个O原子和最近邻的四个原子也构成一个四面体结构。但是，每个离子周围都不是严格四面体对称的。在c轴方向上，Zn原子与O原子之间的距离为0.196nm，在其它三个方向上为0.198nm，c轴方向的最近邻原子间的间距要比与其它三个原子之间的间距稍微小一些。因此ZnO晶体是一种极性半导体。ZnO室温下的禁带宽度为3.37eV，具有较大的激子束缚能(60meV)，比室温热离化能(26meV)大很多，激子不易发生热离化，与ZnSe(20meV)、ZnS(39meV)、GaN(25meV)等发光材料相比ZnO被认为是更适合用于室温或更高温度下的紫外光发光材料，在室温下可获得高效的与激子相关的受激发

4、射。此外，同其它宽带隙半导体材料相比，ZnO还在某些方面具有明显的优势。首先，ZnO无臭无味，无生物毒性，是一种很好的环境友好型材料。其次，ZnO的热导率较大，抗辐射能力比较强，压电效应几乎是半导体中最高的。另外，ZnO资源丰富，生产成本低，稳定性好。二、纳米硫化锌的制备方法2.1氧化锌纳米结构的生长机制5ZnO纳米结构是多样化的，不仅有单一的纳米线、纳米棒、纳米管等结构，还有把这些单一的纳米结构组合成复杂的、分层次的纳米结构等。要想了解纳米结构的生长机制，需要从最基本、最简单的纳米结构出发来了解其生长机制。因而在这里主要介绍简单纳米结构的生长机制，对这些简单纳米结构形成机制的理解有助于进

5、一步了解复杂纳米结构的形成机制。目前，用来解释ZnO纳米结构形成的机制很多，这里主要介绍气－液－固(VLS)生长机制和气－固(VS)生长机制。2.1.1气－液－固(VLS)生长机制VLS机制指在蒸气和生长的纳米线晶体之间存在由晶体成分与液相生长剂（或称催化剂）形成的液相组分，气相成分首先溶解于液相，并经液相进入固相使晶体生长。反应物蒸气不断补充到催化剂熔滴与纳米线界面的活性区域，因此纳米线可以不断生长。纳米线顶端的催化剂合金头被认为是VLS机制的有力证据。其形成过程如下：一般首先需要在基片的表面先镀一层金属Au/In，然后在一定条件下在适当的温度下加热基片（或者需要把In同需要制备的纳米材

6、料同时加热，产生混合气体），小尺寸的Au/In纳米颗粒或纳米团簇在基片的表面产生，同时气态的沉积材料通过气流传输到基片的表面同Au/In纳米颗粒形成共熔合金，当所沉积材料达到饱和时，纳米线就会沿着温度梯度或者浓度梯度方向析出，纳米线的尺寸主要决定于共熔合会的颗粒大小。因而，通过这种机制形成的纳米结构的一个典型特征是在纳米结构的顶部将会形成球状的Au/In纳米颗粒。但在一些实验中可能并不会出现VLS形成机制的典型特征，也就是在纳米线尖端没有球状的纳米颗粒，有可能其形成机制是自催化的VLS机制。2.1.2气－固(VS)生长机制所谓气－固(VS)生长机制是指将一种或几种反应物在反应器高温区通过加

7、热，通过蒸发、化学还原或气相反应生成蒸气，蒸气由惰性气流运送到生长低温区并冷凝在衬底上成核，反应组分在晶核表面发生气－固反应，从而使晶体定向生长为准一维纳米材料。这种情况下可以不使用催化剂，在准一维纳米晶体顶部没有催化剂颗粒。2.2氧化锌纳米结构的生长方法目前，ZnO纳米结构的制备及其应用是研究的热点，国内外的研究小组已经成功制备出了各种各样的ZnO纳米结构。ZnO纳米结构的制备方法众多，各具特色，主要有化学气相沉积法、