ZnO及其纳米结构的性质与应用

ZnO及其纳米结构的性质与应用

本文将综述ZnO及其纳米结构的性质与应用等方面的内容。

1.ZnO的形貌与晶体结构

按形貌来分，有单晶ZnO，薄膜ZnO、纳米结构ZnO，纳米结构又分为纳米点、纳米颗粒、纳米线、纳米棒（纳米柱）、纳米管、纳米花、纳米片（纳米带）、纳米弹簧、纳米环、纳米梳、纳米钉（纳米针）、纳米笼、纳米四足体、塔状纳米结构、盘状纳米结构、星状纳米结构、支状纳米结构、中空纳米微球、纳米阵列等。

按晶体结构来分，ZnO又有六方对称铅锌矿结构、四方岩盐矿结构和闪锌矿结构，其中六方对称铅锌矿结构为稳定相结构。

在不同的环境下制备出的ZnO的结构与形貌都不尽相同，而不同的结构与形貌又表现出不同的性质，有不同的应用。

2.ZnO的性质及应用

纳米氧化锌材料具有诸多优良的性质，总的来说，可分为三个方面，一是作为半导体材料所具有的性质，二是作为纳米材料而具有的性质，三是其自身独有的性质。

2.1作为半导体材料的ZnO

在半导体产业中，一般将Si、Ge称为第一代半导体材料；将GaAs(砷化镓) 、InP(磷化铟) 、GaP(磷化镓)等称为第二代半导体材料；而将宽禁带( Eg >2. 3eV) 的SiC(碳化硅) 、GaN(氮化镓)和金刚石等称为第三代半导体材料。[1]通常状态下，ZnO是直接宽带隙n型半导体材料，室温下的禁带宽度是3.3eV，是第三代半导体材料中的典型代表。因而其具有第三代半导体材料所具有的诸多优良性质，比如发光特性、光电特性、电学性质、压阻特性、铁磁性质等。

2.1.1发光特性

在半导体中，处于激发态的电子可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量，这就是半导体的发光现象。[2]LED产业中比较有代表性的半导体材料是GaN、SiC、ZnO和金刚石，虽然GaN 与SiC的工艺已经比较成熟，但SiC发光效率低，而ZnO在某些方面具有比GaN更优越的性能，如：熔点、激子束缚能和激子增益更高、外延生长温度低、成本低、易刻蚀而使后继工艺加工更方便等。[1]此外，ZnO还具有紫外激光发射行为，因而可用作紫外激光器，由于其波长比GaN所发蓝光更短，因而更受青睐。

2.1.2光电特性

ZnO 薄膜中掺Al使其禁带宽度显著增大，具有较高的光透过率。在可见光区，光透过率达90%。高的光透过率和大的禁带宽度使其可作为太阳能电池窗口材料、低损耗光波导器件及紫外光探测器。[3] 2.1.3电学性质

目前已经可以合成质量好的ZnO单晶，在这种单晶中一般存在较低的本底杂质、点缺陷及位错浓度，从而显示出较好的电学性质。[4]此外，尽管ZnO的迁移率低于GaN，但ZnO的饱和速率却高于GaN，这表明ZnO适于高频器件。[5]

2.1.4压阻特性

对半导体施加应力时，除产生形变外，能带结构也要相应地发生变化，因而材料的电阻率就要改变。[2]ZnO压敏材料受到外加电压时，存在一个阈值电压，当外加电压高于该值时即进入击穿区，此时电压的微小变化即会引起电流的迅速增大。由于具有这种特征，ZnO压敏材料在各种电器设备的电压保护、稳压和浪涌电压吸收等方面都起着重要作用。[3]

2.1.5铁磁性质

Dietl预言在p型ZnO通过Mn掺杂将可以实现室温下载流子控制的铁磁性，通过控制半导体中自旋可以生产相关的器件：如自旋光发射二极管、自旋场效应管及量子计算机的自旋量子位等。[4]

2.2作为纳米材料的ZnO

当材料的尺寸逐渐减小时，其比表面积、表面能及表面结合都迅速增大，表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性。当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化剂及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。这就是纳米材料表面效应与体积效应。[6]

纳米ZnO也具有以上两种效应，因而有很多优良性质及应用。

纳米ZnO是橡胶和轮胎工业必不可少的添加剂，纳米ZnO的添加大幅度提高了橡胶制品的光洁度、机械强度、耐温和耐老化性能，特别是耐磨性能；纳米ZnO的表面高活性可以提高催化剂的选择性能和催化效率；其优异的紫外线屏蔽能力使其在涂料的抗老化等方面具有较为突出的特性；利用纳米ZnO 制备出的陶瓷釉面更加光洁，具有抗菌、防霉、除臭等功效，且可以降低玻璃和陶瓷的烧结温度。[3]纳米ZnO由于质量轻、厚度薄、吸波能力强等优点，而成为雷达吸波材料研究的热点之一。[6]此外，纳米ZnO还是优质的抗静电复合材料。[7]

2.3作为纳米半导体材料的ZnO

ZnO本身是半导体材料，当其做到纳米尺度，并利用纳米尺度下的半导体相关的性能时，应用将更加重要。要想用纳米ZnO制作半导体器件，不仅需要将其做到纳米尺度，还需对其形貌结构进行控制与设计。

各国研究者已采用多种方法制备出了不同形态的纳米结构，如纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带、纳米环等。这些纳米结构具有广泛的应用，是合成短波长纳米激光器、场效应三极管、紫外敏感气体传感器、纳米谐振器、转换器、驱动器、纳米悬臂及场发射器件的基础材料。[3]

2.4作为ZnO的ZnO

ZnO虽是具有诸多优良性质的半导体材料，但和其他半导体材料相比，并不在半导体共性方面具有绝对优势；ZnO做到纳米尺度，会表现出很多奇特性质，但和其他纳米材料相比，也不一定会有优势；纳米ZnO既具有半导体性质，又具有纳米性质，但其他半导体材料做到纳米尺度也是如此。这些都不足以表现出ZnO的独特之处与绝对优势，让ZnO从诸多纳米半导体材料中脱颖而出的是其极为丰富的形貌结构与拥有其他典型半导体材料所不具有的压电性能。

王中林等人通过固相热蒸发过程控制生长温度和源材料化学组成，制备出梳形纳米ZnO、ZnO纳米环、纳米线、纳米弹簧、纳米笼等多种形态纳米结构，并且他指出，ZnO纳米结构在目前所有纳米材料中是最为丰富的，甚至超过碳纳米管。多种形态的ZnO纳米结构为新的研究与应用提供了更为广阔的前景。[4]

ZnO具有压电性能，王中林教授利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性质，在原子力显微镜的帮助下，研制出将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置——纳米发电机。[3]此研究若将纳米线生长在具有柔韧度的高分子基片或纤维上，而后利用生物匹配性植入生物体内，即可有望通过机体运动、肌肉伸缩等运动使生物体获取能量，将在生命科学领域具有重要的作用。[8]

3.结语

纳米ZnO材料一方面具有半导体性质，另一方面具有纳米性质，此外还具有独特的压电性能与最为丰富的形貌结构，这些性质让纳米ZnO成为研究与应用的热点。可以相信，将来纳米ZnO的应用将更为广泛，对社会生产的影响也将更为深刻。

参考文献

[1]雷通，王小平，王丽军等.第三代半导体材料在LED产业中的发展和应用[J].材料导报，2009，23(1): 7-11.