纳米材料

《功能金属材料》课程作业

一维氧化锌纳米材料应用与发展前景及课程感悟

班级：0610104

学号：061010418

姓名：刘广通

一、一维ZnO 纳米材料性能

ZnO 纳米材料以形态和尺度划分，包括零维ZnO纳米材料（ZnO 纳米颗粒）、一维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维ZnO 纳米材料（ZnO 纳米薄膜）等。按成分划分，包括纯ZnO 纳米材料和掺杂ZnO 纳米材料，如In、Ga、Sn、Mn、Co等各种元素掺杂的n型掺杂纳米材料，P、N、Li等元素掺杂的p型掺杂纳米材料及多元素复合掺杂的掺杂ZnO 纳米材料。

一维ZnO 纳米材料在光学、电输运、光电、压电、力电、场发射、稀磁、光催化、吸波等性能上具有显著特点，在传感、光学、电子、场发射、压电、能源、催化等领域已经显示出良好的应用前景。目前，在一维ZnO 纳米材料研究领域，关注的重点包括一维ZnO 纳米材料的可控及高产率设备、结构与性能调控、纳米器件组装、纳米材料及器件的性能测试与评价、纳米效应及耦合效应、理论计算与模拟、安全服役与损伤等方面。[1]

目前来说，我们都希望电子器件能越小型越好，也就是通过不断缩小器件的尺寸来达到提高速度、减少功耗的目的，这种方法在过去几十年一直被运用而随着我们周围的生活电子产品的不断微型化而发展。所以要利用薄膜生长和光刻技术（电子束光刻、X射线光刻等）制备材料和器件。我们希望纳米线作为基本功能单位来组成电子电路。一维纳米材料的原理器件的研制可以完成这一使命。而ZnO 是一种具有压电和光电特性的半导体材料，它是典型的直接带隙宽禁带半导体，同时它的激子结合能高达60meV。因此ZnO 材料在紫外光电器件方面有巨大的应用潜力。ZnO有很高的导电、导热性能，化学性质非常稳定，作为短波长发光器件具有高的稳定性和较低的价格，有极大的应用价值。而在一维纳米材料中， ZnO 有三个主要的优点：首先，它既是半导体又有压电效应，这是做电动机械耦合传感器和变频器的基础;其次，ZnO 的生物安全性与相容性相对高，可以用在医学方面；最后，ZnO 的种类最丰富，如纳米线，纳米带，纳米螺旋结构等。因而有一系列的一维ZnO 纳米材料的新器件被不断地开发研制，如室温激光器、发光二极管、传感器、晶体管、场发射器等。

二、一维ZnO 纳米材料的应用及发展前景

一维ZnO纳米材料被用于光学器件。因为ZnO是一种宽禁带半导体，而且在室温下具有很高的激子束缚能，因此ZnO被认为是一种优异的蓝光到紫外波段发射的发光材料。在325nm的He-Cd激光激发下，ZnO纳米材料的室温发光谱中存在两个发射峰，分别是380nm左右的近带边的自由激子复合引起的紫外发射峰[2]和540nm左右的氧空位引起的绿光发射峰[3]。ZnO纳米材料的发光效率远高于块体材料，这主要是因为ZnO纳米线的单晶形态和小尺寸效应。小尺寸效应的影响是由于纳米材料非常微小，其尺寸与光波波长、传到电子的得布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等具有物理特征的尺寸相当或更小时，它的周期性边界将被破坏，使它原本所具有的声，光，电，磁，热力学等特性呈现出“另类”的现象。ZnO纳米的发光机制有以下几种：1)带间跃迁发光。即适当的光照射时，半导体的价带电子发生带间跃迁，也就是电子从价带跃迁到导带，而产生光生电子和空穴。而对纳米材料，器能带将会展宽，改变其性能。2）激子辐射复合发光。纳米结构ZnO有宽的禁带隙、大的比表面积、

界面中的空位浓度大，小尺寸效应导致电子的平均自由程局限在纳米空间，与激发波长相当，进而引起电子和空穴波函数的重叠，易形成Wannier激子。由于量子限域效应和电子与空穴之间的Coulomb作用，高浓度激子在能隙中靠近导带形成激子能级，激发能被在禁带中分立的中心吸收，产生激子发光带。3）能带与缺陷能级之间的电子跃迁发光。一维ZnO纳米材料中的主要缺陷是氧空位。电子在导带、价带及缺陷能级之间跃迁，必然会产生能量的吸收和释放，不同能级间的电子跃迁都对应一种不同的光发射，发射出的光波长也不同。一维ZnO纳米材料在光学器件方面主要用于光致发光器件，电致发光器件和光传导器件。最重要的光学应用是构建近紫外发光二极管和激光器件。基础是形成p-n结。最开始是采用n型ZnO与p型半导体构成异质结，实现发光。近年来，除了将n型ZnO与其他平p型半导体构成异质结构的二极管，许多小组致力于获得p型ZnO材料，逐步取得了进展。并构建了ZnO同质p-n结，实现了电致发光。

一维ZnO纳米材料被用于电子器件。ZnO作为一种优异的半导体材料，因此可以在二极管、三极管（晶体管）等半导体器件中作为工作部件。虽然目前p型ZnO的制备成为ZnO在电子器件应用方面的瓶颈，但n-ZnO与其他p型半导体形成异质结作为器件也是ZnO的一个潜在应用方向。另外，当半导体与金属接触时，由于两种材料的势垒不一样，可以形成欧姆接触和肖特基接触。对于n型半导体，当金属的功函数大于半导体的亲和能的时候，属于肖特基接触；反之则是欧姆型接触。势垒的存在导致了大的界面电阻，肖特基二极管SBD就是利用金属和半导体接触面上形成的势垒具有整体特性而制成的金属-半导体器件。肖特基势垒二极管是今年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。三极管又称晶体管也是在半导体器件中非常重要的一种器件。它的放大和开关作用促使电子技术飞跃发展。在晶体片的基本功能单元之一，广泛应用于开关和放大电路。[4]因此ZnO纳米材料在二级管和晶体管中的应用研究也是目前研究的热点。

用于二极管，采用一般方法制备的ZnO纳米材料由于在生长过程中往往会引入氧空位，因此一般ZnO纳米材料是n型半导体。可以将ZnO与p型半导体组合成为p-n结，构成二极管。由于一般制备的ZnO是n型半导体，可以通过掺杂改变ZnO的导电性能，形成同质结。2003年，香港城市大学的学者李述汤采用两步法在模板中制备了掺杂BZnO纳米线与未掺杂纳米线构成的p-n结，通过I-V性能测试证实了该结构的p-n结特性。

用于三极管。一维ZnO纳米材料在三极管中的应用主要集中在场效应晶体管领域。，而发展ZnO纳米材料在场效应管中的应用，对推进集成电路的集成化是非常有益的。纳米线晶体管相对于块材和薄膜晶体管具有很高的载流子迁移率，在低温条件下与弹性衬底的相容性、光学透明和可弯曲弹性一样具有很

好的前景。科学家采用In

2O

3

和ZnO纳米线在玻璃和可弯曲的弹性衬底上构建了

晶体管，这种晶体管表现了很好的n型晶体管特性，并具有82%的光学透射率。这些纳米线可以作为像素开关和驱动晶体管在主动驱动式有机发光二极管显示器上。整个像素区域的透明度明显增强主动驱动显示阵列的开口率，并使能量损耗降低。