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[5] H B Lu, H Li, L Liao, et al. low-temperature synthesis and photocatalytic properties of ZnO nanotubes by thermal oxidation of Zn nanowires [J], Nanotechnology, 2008,19(4): 045605-045612.
[2] Z Wang, X F Qian, J Yin, Z K Zhu. Large-scale fabrication of tower-like, flower-like, and tube-like ZnO arrays by a simple chemical solution route [J], Langmuir, 2004, 20(8):3441-3448.
[6] Q J Yu, W Y Fu, C L Yu, et al. Fabrication and optical properties of Large-Scale ZnO nanotube bundles via a simple solution route [J], J. Phys. Chem. C, 2007, 111(47):17521-17526.
[8] Y Q Liu, H Y Wang, Y Q Liu, J C Zhao, C G Liu.Formation mechanisms of ZnO nanowires: The crucial role of crystal orientation and polarity[J], Energy Fuels, 2017, 31 (9):9930-9938.
职称
14.计划执行时间
自2017年7月
至2019年6月
15.预期成果
SCI论文3篇
EI论文0篇
专利0项
16.项目组成员
姓名
性别
年龄
职称
专业
工作单位
分工及年工作月数
签字
17.申请经费预算表
申请资助总金额（万元）
分年度预算
年（第一年）
年（第二年）
2
2
0
预算支出科目（分项填写）
金额（万元）
计算依据及理由
设备费
参考文献：
[1] X Wang, J Song, Z L Wang. Nanowire and nanobelt arrays of zinc oxide from synthesis to properties and to novel devices [J], Mater. Chem., 2007, 17, 711–720.
气体传感器在环境保护、资源勘探、生产安全监管和医疗诊断等领域具有广泛应用。气体传感器种类繁多，但是金属氧化物基的半导体气体传感器，因其具有灵敏度高、选择性可调、稳定性好、测量对象广泛、全固态、体积小、功耗低等优点，一直是气体传感器领域的重要研究和开发方向。
纳米ZnO是一种新型的Ⅱ-VI族直接宽带隙半导体材料，室温下禁带宽度3.37eV，具有高的导电、导热和化学稳定性，良好的紫外吸收性能，可实现可见—紫外荧光和激光发射，广泛应用于电子、光电子、传感器、催化、压电等领域[1]，是一种性能优异的气体敏感材料。近年来，各种形貌的氧化锌结构被不断合成出来[2-7]，并广泛研究了其微观结构与气敏性能之间的关系。通过掺杂、修饰、复合等多种手段进一步改善了其气体灵敏度和选择性。为了继续扩大半导体气体传感器的应用范围及在很多领域的实用化，需要进一步提高灵敏度、选择性和可靠性。已有研究针对纳米氧化锌材料的自极化极其与性能、光谱学特征等方面做了较多的研究工作。基于氧化锌具有极性的特点，本项目拟通过氧化锌合成过程不同阶段的极化处理来显著提高纳米氧化锌气敏材料的极性强度，进而提高其气敏性能，同时，研究极化处理的作用机制和气敏增强机理。
[10] A Sharma, S Dhar, B P Singh,Role of the surface polarity in governing the luminescence properties of ZnO nanoparticles synthesized by Sol-gel route[J], Applied Surface Science, 2013,273:144-149.
[11]Y Li, T Lv, F X Zhao, X X Lian, Y L Zou, Q Wang, Polarity-enhanced gas-Sensing performance of Au-loaded ZnO nanospindles synthesized via precipitation and microwave Irradiation [J], Electronic Materials Letters.2016, 12(3):411-418.
在前期研究中[11]，我们通过简单的微波极化的方法，成功合成了一种具有高比表面积、纺锤状结构的Au/氧化锌纳米粉体，该材料对丙酮气体表现出良好的气敏效应。在工作温度270 ℃时，Au(1 at%)/ZnO气敏传感器在400 ppm丙酮气体中的灵敏度达到了226.8。纺锤状结构对气敏性能的提高起到了至关重要的作用，其由许多极性的ZnO纳米圆锥定向组合而成的有序结构，纺锤状表面的极性因这种定向排列而显著增强。当器件暴露在空气中时能吸附更多的氧原子，导致纺锤状结构的电子耗尽层变宽，当气敏元件暴露在测试气体中能转换更多的电子。此外，纺锤状结构外表面携带更多正电荷极性面，而带负电荷极性面(000-1)隐藏在纺锤状结构的内部，这能进一步促进吸附氧原子的聚集。并且，Au掺杂后不可避免的在Au纳米颗粒和ZnO纳米颗粒之间产生新的界面。与此同时，Au原子高的催化活性还能为ZnO表面的电子耗尽层提供化学反应机理：Au纳米粒子催化激活氧气分子从ZnO表面捕获自由电子并形成，从而促进氧原子的吸附和分解[88]。在最佳工作温度时注入丙酮气体，丙酮分子和吸附的或反应，将捕获的自由电子释放回导带以弥补电子耗尽层，导致ZnO气敏元件的电阻下降[89]。由于Au/ZnO纳米颗粒的强极性，待测气体的极性是决定吸附反应的一个重要因素。待测气体的偶极矩(μ/D)大小分别为C3H6O (2.88) > C2H6O (1.69) > CO(0.11) > C6H6(0)、H2(0)和CH4(0)，这和测试结果完全吻合。丙酮气体分子的偶极矩是上述测试气体中最大的，有利于在纳米ZnO极性表面上的吸附和解吸过程，所以器件对丙酮气体的气敏性能明显优于其他气体。这种微波极化处理技术是极性ZnO纳米柱定向吸附生长形成纳米纺锤结构的关键。
[7] C S Hsiao, S Y Chen, W L Kuo, C C Lin, S Y Cheng. Synthesis and optical properties of white-light-emitting alumina/ZnO nanotubes [J], Nanotechnology, 2008, 19, 405608-405608.
0
材料费
1.4
各种必需的实验原材料、化学试剂、辅助材料等低值易消耗品等费用等。
测试化验加工费
0
差旅费
0.3
前往重点实验室合作与交流差旅费，2人次。
会议费
0
国际交流合作费
0
出版/文献/信息传播/
知识产权事务费
0
劳务费
0.3
课题组研究生劳务费，2人*15个月*100元/月
专家咨询费
0
其它费用
0
合计
2
18.立项依据（附主要的参考文献）
综上所述，尽管有关氧化锌自极化方面的研究报道比较普遍，但未见通过主动人工极化处理来调控纳米氧化锌微观形貌及气敏性能方面的研究。项目组将在前期工作基础上展开一系列的实验探索，系统地研究不同过程、不同条件下高压电场的极化处理对氧化锌的生长规律、微观结构和气敏性能的影响，并查明相关机理。这项研究在纳米氧化锌微观形貌调控及气敏增强机理方面具有重要的科学价值，为纳米结构的调控、气敏增强技术等方面提供新思路、新方法。
[4] C X Xu, G P Zhu, X Li, Y Yang, S T Tan, X W Sun, C Lincoln, T A Smith. Growth and spectral analysis of ZnO nanotubes [J], J Applied Physics, 2008, 103(9): 094303-1-5.
[12]J Guo , J Zhang, M Zhu, High-performance gas sensor based on ZnO nanowires functionalized by Au nanoparticles [J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 199:339-345.
编号（由实验室编）
********
******材料教育部重点实验室
Key Laboratory for******Materials of Ministry Education,
******University ofScienceandTechnology
开放基金申请书
课题名称：**********
由于Zn原子和O原子间的电负性差别很大，从而表现出极性对称的特征。这种极性对称使其表现出一系列独特的性质，如压电特性、自极化特性等。纤锌矿结构ZnO的中心对称性较低，因此其极化效应较也强。基于对结构的认识，氧化物气敏材料的灵敏度、响应速度等取决于其独特的结构、高的比表面积和孔隙率。目前，在纳米氧化锌方面取得了不少重要的研究成果，但多数工作是基于氧化锌薄膜、纳米线、纳米阵列和纳米粒子的自极化研究[8-10]。Liu等系统研究了ZnO的单晶取向和极性对化学浴沉积ZnO形成机理的影响，认为晶体的取向和极性是形成氧化锌纳米线的关键[8]。T. Cossuet等在相同的条件下，将极性作为唯一变量生长纳米棒，结果发现，极性是氧化锌纳米棒中一个重要的相关量[9]。
申请人：******
工作单位：*************
电话：******
电子邮件：********
申请日期：2017年9月25日
***大学制
二〇一四年六月1.姓名Fra bibliotek2.出生年月
1985年12月
3.职称
4.专业
5.学位
6.单位
7.电话
8.通讯地址
9.邮编
10.电子邮箱
11.课题名称
12.所属方向
13.合作者姓名
[13]R C Pawar, J W Lee, V B Patil, Synthesis of multi-dimensional ZnO nanostructures in aqueous medium for the application of gas sensor [J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 187:323-30.
19.主要研究内容、预期目标及拟解决的关键问题
主要研究内容
本项目重点研究极化处理条件下，氧化锌纳米结构聚集生长过程对其微观形貌的影响规律以及相关的热力学和动力学问题，在此基础上阐明氧化锌纳米结构的气敏性能及气敏增强机制。
（1）极化处理条件对氧化锌纳米结构的微观形貌的影响规律：极化处理条件的优化；微观形貌、晶体结构、比表面积、粒径等在极化处理后可能发生的变化及规律；
[9]T Cossuet, E Appert, J L Thomassin, V Consonni,Polarity-dependent growth rates of selective area grown ZnO nanorods by chemical bath deposition[J], Langmuir, 2017, 33 (25): 6269-6279.
[3] K Raidongia, C N R Rao. Study of the Transformations of Elemental Nanowires to Nanotubes of Metal Oxides and Chalcogenides through the Kirkendall Effect [J], J. Phys. Chem. C, 2008, 112 (35), 13366-13371.
[2] Z Wang, X F Qian, J Yin, Z K Zhu. Large-scale fabrication of tower-like, flower-like, and tube-like ZnO arrays by a simple chemical solution route [J], Langmuir, 2004, 20(8):3441-3448.
[6] Q J Yu, W Y Fu, C L Yu, et al. Fabrication and optical properties of Large-Scale ZnO nanotube bundles via a simple solution route [J], J. Phys. Chem. C, 2007, 111(47):17521-17526.
[8] Y Q Liu, H Y Wang, Y Q Liu, J C Zhao, C G Liu.Formation mechanisms of ZnO nanowires: The crucial role of crystal orientation and polarity[J], Energy Fuels, 2017, 31 (9):9930-9938.
职称
14.计划执行时间
自2017年7月
至2019年6月
15.预期成果
SCI论文3篇
EI论文0篇
专利0项
16.项目组成员
姓名
性别
年龄
职称
专业
工作单位
分工及年工作月数
签字
17.申请经费预算表
申请资助总金额（万元）
分年度预算
年（第一年）
年（第二年）
2
2
0
预算支出科目（分项填写）
金额（万元）
计算依据及理由
设备费
参考文献：
[1] X Wang, J Song, Z L Wang. Nanowire and nanobelt arrays of zinc oxide from synthesis to properties and to novel devices [J], Mater. Chem., 2007, 17, 711–720.
气体传感器在环境保护、资源勘探、生产安全监管和医疗诊断等领域具有广泛应用。气体传感器种类繁多，但是金属氧化物基的半导体气体传感器，因其具有灵敏度高、选择性可调、稳定性好、测量对象广泛、全固态、体积小、功耗低等优点，一直是气体传感器领域的重要研究和开发方向。
纳米ZnO是一种新型的Ⅱ-VI族直接宽带隙半导体材料，室温下禁带宽度3.37eV，具有高的导电、导热和化学稳定性，良好的紫外吸收性能，可实现可见—紫外荧光和激光发射，广泛应用于电子、光电子、传感器、催化、压电等领域[1]，是一种性能优异的气体敏感材料。近年来，各种形貌的氧化锌结构被不断合成出来[2-7]，并广泛研究了其微观结构与气敏性能之间的关系。通过掺杂、修饰、复合等多种手段进一步改善了其气体灵敏度和选择性。为了继续扩大半导体气体传感器的应用范围及在很多领域的实用化，需要进一步提高灵敏度、选择性和可靠性。已有研究针对纳米氧化锌材料的自极化极其与性能、光谱学特征等方面做了较多的研究工作。基于氧化锌具有极性的特点，本项目拟通过氧化锌合成过程不同阶段的极化处理来显著提高纳米氧化锌气敏材料的极性强度，进而提高其气敏性能，同时，研究极化处理的作用机制和气敏增强机理。
[10] A Sharma, S Dhar, B P Singh,Role of the surface polarity in governing the luminescence properties of ZnO nanoparticles synthesized by Sol-gel route[J], Applied Surface Science, 2013,273:144-149.
[11]Y Li, T Lv, F X Zhao, X X Lian, Y L Zou, Q Wang, Polarity-enhanced gas-Sensing performance of Au-loaded ZnO nanospindles synthesized via precipitation and microwave Irradiation [J], Electronic Materials Letters.2016, 12(3):411-418.
在前期研究中[11]，我们通过简单的微波极化的方法，成功合成了一种具有高比表面积、纺锤状结构的Au/氧化锌纳米粉体，该材料对丙酮气体表现出良好的气敏效应。在工作温度270 ℃时，Au(1 at%)/ZnO气敏传感器在400 ppm丙酮气体中的灵敏度达到了226.8。纺锤状结构对气敏性能的提高起到了至关重要的作用，其由许多极性的ZnO纳米圆锥定向组合而成的有序结构，纺锤状表面的极性因这种定向排列而显著增强。当器件暴露在空气中时能吸附更多的氧原子，导致纺锤状结构的电子耗尽层变宽，当气敏元件暴露在测试气体中能转换更多的电子。此外，纺锤状结构外表面携带更多正电荷极性面，而带负电荷极性面(000-1)隐藏在纺锤状结构的内部，这能进一步促进吸附氧原子的聚集。并且，Au掺杂后不可避免的在Au纳米颗粒和ZnO纳米颗粒之间产生新的界面。与此同时，Au原子高的催化活性还能为ZnO表面的电子耗尽层提供化学反应机理：Au纳米粒子催化激活氧气分子从ZnO表面捕获自由电子并形成，从而促进氧原子的吸附和分解[88]。在最佳工作温度时注入丙酮气体，丙酮分子和吸附的或反应，将捕获的自由电子释放回导带以弥补电子耗尽层，导致ZnO气敏元件的电阻下降[89]。由于Au/ZnO纳米颗粒的强极性，待测气体的极性是决定吸附反应的一个重要因素。待测气体的偶极矩(μ/D)大小分别为C3H6O (2.88) > C2H6O (1.69) > CO(0.11) > C6H6(0)、H2(0)和CH4(0)，这和测试结果完全吻合。丙酮气体分子的偶极矩是上述测试气体中最大的，有利于在纳米ZnO极性表面上的吸附和解吸过程，所以器件对丙酮气体的气敏性能明显优于其他气体。这种微波极化处理技术是极性ZnO纳米柱定向吸附生长形成纳米纺锤结构的关键。
[7] C S Hsiao, S Y Chen, W L Kuo, C C Lin, S Y Cheng. Synthesis and optical properties of white-light-emitting alumina/ZnO nanotubes [J], Nanotechnology, 2008, 19, 405608-405608.
0
材料费
1.4
各种必需的实验原材料、化学试剂、辅助材料等低值易消耗品等费用等。
测试化验加工费
0
差旅费
0.3
前往重点实验室合作与交流差旅费，2人次。
会议费
0
国际交流合作费
0
出版/文献/信息传播/
知识产权事务费
0
劳务费
0.3
课题组研究生劳务费，2人*15个月*100元/月
专家咨询费
0
其它费用
0
合计
2
18.立项依据（附主要的参考文献）
综上所述，尽管有关氧化锌自极化方面的研究报道比较普遍，但未见通过主动人工极化处理来调控纳米氧化锌微观形貌及气敏性能方面的研究。项目组将在前期工作基础上展开一系列的实验探索，系统地研究不同过程、不同条件下高压电场的极化处理对氧化锌的生长规律、微观结构和气敏性能的影响，并查明相关机理。这项研究在纳米氧化锌微观形貌调控及气敏增强机理方面具有重要的科学价值，为纳米结构的调控、气敏增强技术等方面提供新思路、新方法。
[4] C X Xu, G P Zhu, X Li, Y Yang, S T Tan, X W Sun, C Lincoln, T A Smith. Growth and spectral analysis of ZnO nanotubes [J], J Applied Physics, 2008, 103(9): 094303-1-5.
[12]J Guo , J Zhang, M Zhu, High-performance gas sensor based on ZnO nanowires functionalized by Au nanoparticles [J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 199:339-345.
编号（由实验室编）
********
******材料教育部重点实验室
Key Laboratory for******Materials of Ministry Education,
******University ofScienceandTechnology
开放基金申请书
课题名称：**********
由于Zn原子和O原子间的电负性差别很大，从而表现出极性对称的特征。这种极性对称使其表现出一系列独特的性质，如压电特性、自极化特性等。纤锌矿结构ZnO的中心对称性较低，因此其极化效应较也强。基于对结构的认识，氧化物气敏材料的灵敏度、响应速度等取决于其独特的结构、高的比表面积和孔隙率。目前，在纳米氧化锌方面取得了不少重要的研究成果，但多数工作是基于氧化锌薄膜、纳米线、纳米阵列和纳米粒子的自极化研究[8-10]。Liu等系统研究了ZnO的单晶取向和极性对化学浴沉积ZnO形成机理的影响，认为晶体的取向和极性是形成氧化锌纳米线的关键[8]。T. Cossuet等在相同的条件下，将极性作为唯一变量生长纳米棒，结果发现，极性是氧化锌纳米棒中一个重要的相关量[9]。
申请人：******
工作单位：*************
电话：******
电子邮件：********
申请日期：2017年9月25日
***大学制
二〇一四年六月1.姓名Fra bibliotek2.出生年月
1985年12月
3.职称
4.专业
5.学位
6.单位
7.电话
8.通讯地址
9.邮编
10.电子邮箱
11.课题名称
12.所属方向
13.合作者姓名
[13]R C Pawar, J W Lee, V B Patil, Synthesis of multi-dimensional ZnO nanostructures in aqueous medium for the application of gas sensor [J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 187:323-30.
19.主要研究内容、预期目标及拟解决的关键问题
主要研究内容
本项目重点研究极化处理条件下，氧化锌纳米结构聚集生长过程对其微观形貌的影响规律以及相关的热力学和动力学问题，在此基础上阐明氧化锌纳米结构的气敏性能及气敏增强机制。
（1）极化处理条件对氧化锌纳米结构的微观形貌的影响规律：极化处理条件的优化；微观形貌、晶体结构、比表面积、粒径等在极化处理后可能发生的变化及规律；
[9]T Cossuet, E Appert, J L Thomassin, V Consonni,Polarity-dependent growth rates of selective area grown ZnO nanorods by chemical bath deposition[J], Langmuir, 2017, 33 (25): 6269-6279.
[3] K Raidongia, C N R Rao. Study of the Transformations of Elemental Nanowires to Nanotubes of Metal Oxides and Chalcogenides through the Kirkendall Effect [J], J. Phys. Chem. C, 2008, 112 (35), 13366-13371.