水熱法制備zno納米結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

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1、水熱法制備ZnO納米結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用摘要納米結(jié)構(gòu)的ZnO由于具有優(yōu)異的光、電、磁、聲等性能，已經(jīng)成為光電、化學(xué)、催化、壓電等領(lǐng)域中聚焦的研究熱點(diǎn)之一。不同納米結(jié)構(gòu)的ZnO其制備方法多種多樣，本文著重綜述了水熱法制備ZnO納米結(jié)構(gòu)，并探討了ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長機(jī)理和調(diào)控，同時(shí)展望了ZnO納米結(jié)構(gòu)在各領(lǐng)域中的最新應(yīng)用。關(guān)鍵詞ZnO納米結(jié)構(gòu)水熱法生長機(jī)理生長調(diào)控應(yīng)用引言氧化鋅是一種寬禁帶直接半導(dǎo)體材料，室溫下其禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，可以實(shí)現(xiàn)室溫下的激子發(fā)射，產(chǎn)生近紫外的短波發(fā)光，被用來制備光電

2、器件，如紫外探測器、紫外激光器等。另外ZnO還具有很好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和化學(xué)穩(wěn)定性能，在太陽能電池、傳感器和光催化方面有廣泛的應(yīng)用前景。因此成為國際上半導(dǎo)體材料研究的熱點(diǎn)之一。而一維半導(dǎo)體材料更由于其獨(dú)特的物理特性及在光電子器件方面的巨大潛力，備受人們的關(guān)注[1,2]。將納米ZnO用于電致發(fā)光器件中對提高器件性能很有幫助[3]。在基底上高度有序生長的ZnO納米結(jié)構(gòu)可制作短波激光器[2]和Graetzel太陽能電池電極[4]，成為人們的研究熱點(diǎn)。目前國內(nèi)外研究者已成功地合成了多種ZnO納米結(jié)構(gòu)：Huang等[5]制

3、備出的ZnO納米鉛筆狀結(jié)構(gòu)具有尖端和高的比表面積，有望用于場發(fā)射微電子器件方面；楊培東[6]、ShingoHirano[7]小組分別用氣相傳輸法和水熱法合成的ZnO納米線陣列表現(xiàn)出室溫紫外激光發(fā)射行為，可用來制備紫外納米激光器；張立德[8]研究小組用簡單的熱蒸發(fā)方法得到了一種ZnO納米薄片狀結(jié)構(gòu)，可用于納米傳感器方面。另外，研究者還制備出ZnO納米環(huán)、納米帶、納米花和多足狀等結(jié)構(gòu)。合成ZnO納米結(jié)構(gòu)的方法多種多樣，主要有氣相沉積法、模板法及催化助溶法、電化學(xué)法，其它還有諸如沉淀法、溶膠-凝膠法、多羥基化合物水

4、解法等。近年來水熱法制備ZnO納米結(jié)構(gòu)成為了研究者關(guān)注的熱點(diǎn)，與其它方法相比，水熱法具有設(shè)備簡單，反應(yīng)條件溫和，可大面積成膜，工藝可控等優(yōu)點(diǎn)。1.水熱法制備ZnO納米結(jié)構(gòu)簡介及研究新進(jìn)展1.1水熱法制備ZnO納米結(jié)構(gòu)簡介水熱法是指在特制的密閉反應(yīng)器(高壓釜)中，采用水溶液作為反應(yīng)體系，通過對反應(yīng)體系加熱加壓(或自生蒸汽壓)，創(chuàng)造一個(gè)相對高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境，使通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解，并且重結(jié)晶而進(jìn)行無機(jī)合成與材料處理的一種方法。經(jīng)過十多年的發(fā)展，水熱法逐步發(fā)展成為納米材料制備最常用的方法之一。由于水熱法自身

5、的優(yōu)點(diǎn)和特殊性，在科技高度交叉的21世紀(jì)，水熱法已不再局限于晶體生長，而是跟納米技術(shù)、地質(zhì)技術(shù)、生物技術(shù)和先進(jìn)材料技術(shù)息息相關(guān)，水熱法的研究也向深度與廣度發(fā)展。目前很多的水熱法合成ZnO納米結(jié)構(gòu)采用在75~250℃的密閉容器中進(jìn)行。采用的試劑為鋅鹽、堿或氨水、表面活性劑或分子模板(如乙二胺)等。在這樣的低溫和簡單設(shè)備下，同樣也得到了質(zhì)量很好的不同形貌的ZnO單晶[9]。水熱法合成ZnO納米結(jié)構(gòu)引起人們廣泛關(guān)注的主要原因是：(l)水熱法采用中溫液相控制，能耗相對較低，適用性廣，既可用于超微粒子的制備，也可得到尺

6、寸較大的單晶。(2)原料相對廉價(jià)易得，反應(yīng)在液相快速對流中進(jìn)行，產(chǎn)率高、物相均勻、純度高、結(jié)晶良好，并且形狀、大小可控。(3)在水熱過程中，可通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度、壓力、處理時(shí)間、溶液成分、pH值、前驅(qū)物和礦化劑的種類等因素，來達(dá)到有效地控制反應(yīng)和晶體生長特性的目的。(4)反應(yīng)在密閉的容器中進(jìn)行，可控制反應(yīng)氣氛而形成合適的氧化還原反應(yīng)條件，獲得某些特殊的物相，尤其有利于有毒體系中的合成反應(yīng)，這樣可以盡可能地減少環(huán)境污染。1.2水熱法制備ZnO納米結(jié)構(gòu)的研究新進(jìn)展ZnO納米結(jié)構(gòu)是水熱法制備較多的材料，目前，水熱法已

7、經(jīng)成功地制備了不同形狀的ZnO納米結(jié)構(gòu)，如圖1所示。關(guān)于ZnO水熱制備的SCI論文已達(dá)數(shù)百篇，它是目前水熱合成的材料中形貌特征最豐富的材料。圖1豐富多彩的ZnO納米結(jié)構(gòu):(a)ZnO納米線陣列、(b)單根ZnO納米棒、(c)ZnO納米塊、(d)選擇性生長的ZnO納米簇、(e)ZnO納米片、(f)ZnO納米花、(g)ZnO納米帶、(h)ZnO納米絮以及(i)ZnO納米針狀結(jié)構(gòu)。為了有效控制其形貌與尺寸，研究者采用了各種方法來改進(jìn)ZnO納米結(jié)構(gòu)的水熱合成工藝，比如添加表面活性劑、絡(luò)合劑或其他輔助劑是常用的一種手段

8、，這些助劑包括十六烷基四甲基澳化胺(CTAB)、六次甲基四胺(HMT)、十二烷基磺酸鈉(SDS)、聚乙烯醇(PVA)、檸檬酸(CA)等。孫靈東等利用CTAB—水—環(huán)己醇—庚烷體系在140℃水熱處理20小時(shí)得到了ZnO的納米線[10]。而利用HMT對鋅離子的絡(luò)合作用，可以使得ZnO在較低的溫度下(90℃)實(shí)現(xiàn)沿著C軸方向生長，從而得到ZnO的陣列[11]。張輝等人利用檸橡酸CA、CTAB、PVA等輔助