李晶華 張明熹 王偉 趙晨晨 王傳璐 蔡永豐 劉文靜 李鋒鋒

摘 要：本文分析一維納米氧化鋅的發(fā)展現(xiàn)狀，并對制備方法進(jìn)行了簡單介紹，總結(jié)并討論了納米氧化鋅當(dāng)前的任務(wù)和前景。

關(guān)鍵詞：納米氧化鋅；制備；現(xiàn)狀；任務(wù)

一、引言

準(zhǔn)一維納米材料由于量子尺寸效應(yīng)具有許多特異的物理、化學(xué)特性，是研究電子傳輸行為、光學(xué)特性和力學(xué)性能等物理性質(zhì)的尺寸的理想系統(tǒng)，在構(gòu)建納米電子和光學(xué)器件方面具有很大的應(yīng)用潛力，近年來受到廣泛的關(guān)注。[1]一維納米氧化鋅特有的量子尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)和耦合效應(yīng)，使其在紫外激光器、光波導(dǎo)器件、發(fā)光元件、表面聲波元件、太陽能電池窗口材料、壓敏電阻及氣體傳感器等方面有著廣泛的用途，被稱為“第三代半導(dǎo)體材料”。把鋅粉原料加入到高頻常壓熱等離子體弧中，使鋅粉加熱氣化，然后與加入等離子體反應(yīng)器中的氧氣反應(yīng)，合成出了直徑為50nm、長度超過2μm的一維棒狀納米氧化鋅。 研究了氧分壓和鋅粉加料速度對合成產(chǎn)物形貌的影響，結(jié)果表明，通過控制這些參數(shù)，可以調(diào)控合成的氧化鋅納米棒長徑比。采用XRD、SEM、TEM和HRTEM對產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并表征了合成的氧化鋅納米棒的光致發(fā)光性能。

二、納米氧化鋅的國內(nèi)外研究與發(fā)展

（一）納米氧化鋅的發(fā)展情況。ZnO是Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體，在室溫下其能隙為3.36eV，因其具有良好的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)及強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性和高熔點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種光電學(xué)系統(tǒng)，如光散射儀器、光探測器、場致發(fā)光儀器、非線性光學(xué)儀器、透明傳導(dǎo)層、太陽能電池、表面聲波儀器、體聲波儀器等，因此在信息及軍事等領(lǐng)域有重要用途。

納米材料的制備在當(dāng)前材料科學(xué)研究中占據(jù)極為重要的位置，新的制備工藝和過程的研究對納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響[2]。納米ZnO的制造過程必須解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題，主要有：尺寸、形貌和分布的控制；團(tuán)聚體的控制與分散；表面的形態(tài)、缺陷、粗糙度、成分的控制，包括表面修飾和包覆；化學(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)的均勻性控制；純度的控制；工藝穩(wěn)定性、質(zhì)量可重復(fù)性的控制；納米材料的穩(wěn)定性及保存、運(yùn)輸技術(shù)；所需的設(shè)備和方法要盡可能結(jié)構(gòu)簡單、易于操作。

（二）一維納米氧化鋅的現(xiàn)狀與分析。因特殊的量子尺寸效應(yīng)、界面和量子限制效應(yīng)，納米尺度ZnO具有許多新奇的光、電以及力學(xué)特性，更適宜應(yīng)用于室溫紫外發(fā)光、激光材料和光電子器件，對新型傳感器、存儲器件和場效應(yīng)晶體管等開發(fā)研究也有重要的研究價(jià)值。納米ZnO有很強(qiáng)的自組織生長能力，在穩(wěn)定的制備條件下，其分子間相互作用相當(dāng)明顯，分子能嚴(yán)格按晶格排列外延生長，形成配比完整、成分單一的結(jié)構(gòu)。利用納米ZnO的這種自組織行為可以獲得許多形態(tài)各異、有特殊用途的功能材料。隨著ZnO制備技術(shù)的同趨完善，時(shí)常有特殊形態(tài)的ZnO納米結(jié)構(gòu)及納米器件的報(bào)道，最典型和重要的的幾種

ZnO納米形態(tài)有：納米線、納米棒、納米帶、納米針、螺旋納米結(jié)構(gòu)和納米環(huán)等。

中科院力學(xué)所科研人員利用氣相沉積的方法成功合成了多種形貌的微納米氧化鋅材料，比如納米線、納米棒、納米錐、四足納米氧化鋅等，還實(shí)現(xiàn)了納米氧化鋅在碳納米管上的直接生長，并制備出多種獨(dú)特形貌的氧化鋅微納米材料，通過這種方法合成出來的材料具有很強(qiáng)的發(fā)光性能和催化活性。氧化鋅分為零維的、一維的。

（1）零維的。用沉淀法制備了納米ZnO，通過反應(yīng)條件和工藝參數(shù)的控制得到了幾種不同粒徑分布范圍的納米級ZnO粉體，用AFM和XRD方法對納米ZnO樣品進(jìn)行了表征，并著重研究了這些不同粒徑分布的粉體在紅外、紫外-可見光波段的吸收性能，且與普通ZnO進(jìn)行了對比.結(jié)果表明：納米ZnO在紫外有強(qiáng)的寬帶吸收，對紫外光的吸收能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于普通ZnO，且隨著波長的減小，吸收峰不斷增大，隨著納米ZnO粒徑的減小，其吸收帶邊向短波方向移動產(chǎn)生藍(lán)移現(xiàn)象；在可見光區(qū)，納米ZnO比普通ZnO對可見光的吸收較弱，有很好的透過率；紅外吸收能力隨著納米ZnO粒徑的減少而增強(qiáng)，同時(shí)紅外吸收出現(xiàn)紅移和寬化現(xiàn)象。（2）一維的。針對二極式場致發(fā)射顯示器（field

emission display， FED）驅(qū)動電壓過高的問題， 設(shè)計(jì)制作了前柵極式三極結(jié)構(gòu)納米ZnO場致發(fā)射顯示器， 并進(jìn)行了場致發(fā)射實(shí)驗(yàn)， 驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)的可行性。前柵極結(jié)構(gòu)采用噴砂工藝結(jié)合光刻技術(shù)， 制作出微細(xì)的柵孔結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)了較低電壓的控制。同時(shí)對影響場致發(fā)射性能的柵極電壓、柵孔開口尺寸和介質(zhì)層厚度進(jìn)行了分析討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用三極結(jié)構(gòu)四針狀納米ZnO場致發(fā)射顯示器具有良好的發(fā)射性能， 是一種有前途的場致發(fā)射顯示器。

三、一維納米氧化鋅的的制備方法簡介

近年來，人們采用許多不同的方法用來生長ZnO納米結(jié)構(gòu)：固相化學(xué)反應(yīng)法具有無需溶劑、轉(zhuǎn)化率高、工藝簡單、能耗低、反應(yīng)條件易控制的特點(diǎn)，但反應(yīng)過程往往進(jìn)行不完全或過程中可能出現(xiàn)液化現(xiàn)象；氣相法在我國目前處于小試階段，欲達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)，還要解決一系列工程問題和設(shè)備材質(zhì)問題，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；液相法納米氧化鋅生產(chǎn)中，最常用的制備方法為均勻沉淀法，通過采取適當(dāng)?shù)姆椒ǜ纳破涔に嚄l件，實(shí)現(xiàn)氧化鋅顆粒的大小、尺寸、形貌等微觀結(jié)構(gòu)有目的地進(jìn)行控制，使之能夠定向的生長，從而生產(chǎn)出各種尺寸、形貌的納米氧化鋅，并使制備出的產(chǎn)品具有很好的重復(fù)性和可靠性。

四、總結(jié)

目前ZnO納米材料和納米結(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn)為：1）制備方法的改進(jìn)和探索，主要是繼續(xù)探索新方法，低溫制備產(chǎn)量高、尺寸和結(jié)構(gòu)形態(tài)可控的準(zhǔn)一維納米材料；2）生長模型的建立。通過對單個(gè)一維納米單元的物理化學(xué)的研究，找出生長過程與尺寸、形貌的關(guān)系，建立普適的生長規(guī)律；3）發(fā)光特性研究。通過方法的改善、摻雜等手段，得到高效的紫外-藍(lán)綠發(fā)光，為制造光電子器件打下基礎(chǔ)。因此研究一維納米材料發(fā)光材料，對于擴(kuò)展其在激光器及其光、電納米器件領(lǐng)域中的應(yīng)用研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

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