李 雪，李世軍，樊娟娟

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，長春 130118)

ZnO納米材料的制備方法及應(yīng)用

李 雪，李世軍，樊娟娟

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，長春 130118)

納米ZnO作為一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料因其具有發(fā)光性、壓電性、導(dǎo)電性、氣敏性、光催化性等諸多的優(yōu)異性能而被廣泛應(yīng)用。ZnO材料來源廣泛、價格低廉、無毒無害、制備方法多樣，這些優(yōu)點使ZnO越來越受到人們關(guān)注。本文總結(jié)了ZnO納米材料多種制備方法的實驗概況及特點，科研人員可以根據(jù)具體需要選擇合適的制備方法。并對納米ZnO的主要應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

ZnO納米材料;制備方法;應(yīng)用

0 引言

ZnO是繼GaN以后出現(xiàn)的一種第三代寬禁帶半導(dǎo)體，它具有較高的激子束縛能、激子增益和熔點，較低的生長溫度，所以ZnO比GaN更具優(yōu)越性。1999年，在美國召開了首屆ZnO專題國際研討會，至此，世界上掀起了ZnO納米材料研究的熱潮。ZnO作為一種寬禁帶直接帶隙Ⅱ -VI族半導(dǎo)體材料，室溫下帶隙寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，發(fā)射波長相應(yīng)于紫外區(qū)波長370 nm，因此，ZnO在短波發(fā)光器件中存在很大的應(yīng)用潛力。一般情況下，ZnO具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，如圖 1，其晶格常數(shù) a=0.325nm，c=0.520nm［1］。

ZnO是一種新型的多功能半導(dǎo)體材料，具有諸多優(yōu)異性能，如發(fā)光性、壓電性、導(dǎo)電性、氣敏性、光催化性等，主要應(yīng)用在光催化、紫外光探測器、傳感器、太陽能電池、激光器、發(fā)光二極管等方面［2-9］，ZnO材料來源廣泛、價格低廉、無毒無害、制備方法多樣，這些優(yōu)點使ZnO越來越受到人們關(guān)注。

圖1 ZnO具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)

1 ZnO納米材料的制備方法

制備ZnO納米材料的方法大致分為物理方法和化學(xué)方法，化學(xué)方法中又分為氣相法、固相法和液相法。為了更直觀的說明及比較ZnO納米材料的制備方法、實驗概況和特點，本文以表格的形式進(jìn)行介紹。具體內(nèi)容如表1。

2 ZnO納米材料的應(yīng)用

2.1 光催化劑

隨著工業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展，全球環(huán)境污染日益嚴(yán)重，光催化法降解有機污染物是目前解決這一問題最有效的途徑。與TiO2相比，ZnO是直接帶隙半導(dǎo)體，其電子躍遷幾率遠(yuǎn)高于TiO2，因此有著更高的量子效率，ZnO中存在較多氧空位，能夠加速電子 -空穴對的分離，因此有更高的降解效率，ZnO的光不穩(wěn)定性問題可以通過控制結(jié)構(gòu)生長得到有效解決，這對于ZnO做為光催化劑的研究具有很強的現(xiàn)實意義。Nazar Elamin等人［19］制備ZnO納米材料光催化劑，110分鐘后，甲基橙幾乎全部降解。Jia Zhi-gang等人［20］制備了負(fù)載銀的ZnO納米棒，結(jié)果表明當(dāng)銀和含量為3% 時，光催化的效果最好。

表1 ZnO納米材料的制備方法、實驗概況及特點

續(xù)表

2.2 紫外探測

紫外探測技術(shù)是繼紅外探測技術(shù)和激光探測技術(shù)之后發(fā)展起來的又一新型探測技術(shù)，主要應(yīng)用在導(dǎo)彈跟蹤、火箭發(fā)射、火焰探測、紫外通訊、環(huán)境監(jiān)測、太陽福射測量、紫外激光器控制、醫(yī)療、天文等領(lǐng)域。ZnO在紫外區(qū)具有高光電導(dǎo)特性，有著更好的抗高能射線輔射能力以及很好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性［21］。K.J.Chen、F.Y.Hung等人利用ZnO納米線薄膜制得紫外光探測器具有很好的紫外區(qū)響應(yīng)，研究結(jié)果表明，在紫外光照射下產(chǎn)生的光電流為4.32×10-9A，光響應(yīng)率為0.011A/W［22］。

2.3 太陽能電池

隨著社會的發(fā)展，人們環(huán)境保護的意識逐漸增強，各種環(huán)境友好的能源開始被各國重視，尤其是太陽能的開發(fā)與利用。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。由于在ZnO納米半導(dǎo)體材料中電子的遷移率大，這大大減少了電子在ZnO納米半導(dǎo)體材料中的傳輸時間，使得ZnO在太陽能電池方面的應(yīng)用受到重視。Han Jingbin等人利用電沉積發(fā)制備出ZnO納米棒，在利用刻蝕的方法制備出高密度垂直ZnO納米管陣列，用其作為光陽極太陽能電池，太陽光轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1.18%［23］;香港科技大學(xué)研究小組將SnO2納米材料與四腳狀ZnO納米材料復(fù)合制作光陽極結(jié)構(gòu)太陽能電池，測試結(jié)果表明電池總光電效率可以達(dá)到 6.31%［24，25］。

2.4 傳感器

ZnO作為氣體傳感器，其原理可以簡單概括為:當(dāng)ZnO納米材料暴露在氣體中時，其表面容易吸附氣體分子，在ZnO表面的離子與吸附氣體分子間發(fā)生吸附 -脫離、氧化還原等反應(yīng)，從而引起電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致氧化鋅電導(dǎo)率發(fā)生變化［26］。J.Y.Son等人利用ZnO納米材料探測乙醇?xì)怏w，探測濃度僅為0.2ppm，并且響應(yīng)迅速，靈敏度可以達(dá)到10(Rair/Rgas)［27］。ZnO納米納米材料也可以制作生物傳感器，將生物物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換為電信號，李金華等人［28］利用水熱法制備ZnO納米棒陣列，制作葡萄糖生物傳感器用于檢測葡萄糖濃度，實驗表明該傳感器具有很高的靈敏度，探測濃度達(dá)到1.0×10-3mol/L，響應(yīng)時間小于5s。

2.5 發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種注入型的電致發(fā)光半導(dǎo)體器件，它是一種新型光源，具有效率高、壽命長、不宜破損等優(yōu)點，其原理是依靠電子在能級間輻射躍遷產(chǎn)生光，發(fā)光波長主要由材料的禁帶寬度及相關(guān)雜質(zhì)能級決定［29］。ZnO具有優(yōu)異的光電性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)高質(zhì)量大尺寸單晶ZnO，并且ZnO材料來源廣泛，廉價易得，故ZnO已經(jīng)成為實現(xiàn)商業(yè)化的光電材料。Konenkamp等人利用p摻雜的PEDOT/PSS作為空穴傳輸層與ZnO納米棒復(fù)合制作發(fā)光二極管，啟動電壓為5～7V，在390nm處出現(xiàn)了激子發(fā)光，500-1000nm處出現(xiàn)了可見發(fā)光［30］。

3 結(jié)束語

納米ZnO具有良好的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)引起科研人員的廣泛注意，它是一種具有特殊性能和用途的材料。本文介紹了氧化鋅納米材料的制備方法及應(yīng)用，對當(dāng)前應(yīng)用較多的制備方法進(jìn)行了實驗過程及特點介紹，并進(jìn)行了利弊分析。我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)需求選擇最佳的制備工藝，使ZnO納米材料向著有利于實際應(yīng)用的方向去發(fā)展。

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Preparation and Application of ZnO Nanomaterials

LI Xue，LI Shi-jun，F(xiàn)AN Juan-juan
(Institute of Information Technology，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China)

As a wide forbidden band，ZnO is a direct band gap semiconductor，which has been widely used because of its superiorities of luminance，piezoelectricity，electrical conductivity，gas sensitivity，photocatalysis and so on.ZnO with the advantages such as the wide resource，low cost，nontoxic and harmless property，as well as various methods of preparation gets much attention.This paper summarizes the experimental survey and characteristics of the preparation of ZnO，providing suitable preparation method for researchers to choose according to specific needs.Moreover，the main application of nanometer ZnO is introduced.

ZnO nanomaterials;preparation method;application

O469

A

1009-3907(2013)12-1590-05

2013-11-03

吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)科研啟動基金(201238)

李雪(1979-)，女，吉林長春人，碩士研究生，主要從事納米半導(dǎo)體材料特性研究。

責(zé)任編輯:

程艷艷