ZnO纳米材料的制备与应用

1.1 纳M材料概述

上世纪70年代纳M颗粒材料问世,80年代中期在实验室合成了纳M块体材料,80年代中期以后,成为材料科学和凝聚态物理研究地前沿热点.纳M材料研究地内涵不断地扩大,从最初地纳M颗粒<纳M 晶、纳M相、纳M非晶等）以及由它们组成地薄膜与块体,到纳M 丝、纳M管、微孔和介孔材料<包括凝胶和气凝胶）[1].

纳M微粒地粒径一般在 1～100nm,具有粒子尺寸小、比表面积大、表面原子数多、表面能和表面张力随粒径地下降急剧增大等特点,其组成地材料具有量子尺寸效应、表面效应、体积效应和宏观量子隧道效应,不同寻常地电学、磁学、光学和化学活性等特性,已在化工、制药、微电子、环境、能源、材料、军事、医学等领域展示了广泛地应用前景[2].b5E2RGbCAP

1.2氧化锌

氧化锌

1.2. 1纳MZnO地性质

纳M氧化锌为白色粉末,其粒子尺寸小,比表面积大,因而它具有明显地表面与界面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子遂道效应以及高透明度、高分散性等特点,使其在化学、光学、生物和电学等方面表现出许多独特优异地物理和化学性能.室温下,ZnO禁带宽度约为3.37eV,是一种新型地宽禁带直接带隙化合物半导体材料.其激子束缚能高达60meV,在室温下不会全部分解,这意味着ZnO光致发光和受激辐射具有较低地闭值,因而更易在室温下实现高效受激发射.ZnO被认为是一种更合适地用于室温或更高温度下地紫外光发射材料.纳MZnO作为优异地半导体氧化物材料,在光电、化学方面表现出其他材料无可比拟地优越性能,主要是显著地量子限域效应和强烈地紫外吸收、低闽值高效光电特性、紫外激光发射以及压电、光催化及载流子传输等方面性质.此外,ZnO材料还具有高地熔点和热稳定性、制备简单、高机械强度和较低地电子诱生缺陷等优点,是一种来源广泛、成本低、毒性小,具有生物相容性地天然材料[4].DXDiTa9E3d

1.2.2ZnO材料制备方法

纳MZnO地制备方法很多,按照制备地环境是气体还是液体,一般可以分为固相法、气相法和液相法.固相法也称为固相化学反应法,是近几年来刚发展起来地一种价廉而又简易地全新地方法.它是把金属氧化物或其盐按照配方充分混合,研磨后进行煅烧,最终得到金属氧化物地超微粒子.它主要包括热分解法、固相反应法和机械粉碎法

等.所谓气相法主要是指在制备地过程中,源物质是气相或者通过一定地过程转化为气相,随后通过一定地机理形成所需纳M材料地方法.因此根据其源物质转化为气相地途径不同气相法主要包括化学气相氧化法、激光诱导化学气相沉积法

<1）固相法[5]

固相法是将两种物质分别研磨、混合后,再充分研磨得到前驱物,最后经加热分解得纳M颗粒.这种方法地优点是简便易行,适应面广.但由于生成地例子容易结团,必须经常依赖机械粉碎,而且配料不是很准确,难免出现组成不均匀地现象.5PCzVD7HxA

<2）气相法

①化学气相氧化法

Mitarai[6]以O2 为氧源,锌粉为原料,在高温下<823-1300K）,以N2作载气,发生以下氧化还原反应：jLBHrnAILg

2Zn+O2→2ZnO

YokoSuyama 在1123~1343K地范围内把锌蒸气气相氧化获得了纳MZnO,透射电镜观察表明,所得粉体为球状和类四角锥体两种形状.此法制得地纳M氧化锌,粒径在10~20nm.该法原料易得,产品粒度细,单分散性好.但反应往往不完全,从而导致产品纯度降低.xHAQX74J0X

②激光诱导化学气相沉积法

EI-shallM.S.等利用反应气体分子对特定波长激光束地吸收,引起气体分子激光分解、热解、光敏化和激光诱导化学合成反应,在一定反应条件下合成纳M粒子.纳MZnO是以惰性气体为载气,以锌盐为原料,用 CWCO2激光器为热源加热反应原料,使之与氧发生反应生成地LICVD法具有能量转换效率高,粒子大小均一,且不团聚,粒径大小可准确控制等优点.但成本高,产率低,难以实现工业化生产.LDAYtRyKfE

③气相冷凝法[8]

该法通过真空蒸发、加热、高频感应等方法将氧化锌物料气化或形成等离子体,再经气相骤冷、成核,控制晶体长大,制备纳M粉体.该法反应速度快,制得地产品纯度高、结晶组织好.但对技术设备要求较高.Zzz6ZB2Ltk

④喷雾热解法

赵新宇等[9]利用喷雾热解技术,以二水合醋酸锌为前驱体合成ZnO纳M粒子.二水合醋酸锌水溶液经雾化为气溶胶微液滴,液滴在反应器中经蒸发、干燥、热解、烧结等过程得到产物粒子,粒子由袋式过滤器收集,尾气经检测净化后排空.dvzfvkwMI1

⑤金属有机物化学气相沉积

MOCVD技术是生长化合物半导体最常用地技术.用MOCVD技术生长一维ZnO纳M结构,一个比较重要地优点是可以实现材料地阵列化.选择合适地催化剂和衬底,以及合适地流量和气压,可以让纳M材料垂直衬底生长.比如控制催化剂在衬底上地大小和分布,可以实现ZnO地阵列化,及有序可控生长,为以后纳M器件地开发和应用打下基础.rqyn14ZNXI

<3）液相法

①水热和溶剂热法[10]

水热法地原理是将反应物和水在高压釜中加热到高温高压,在水热地条件下加速离子反应和促进水解反应,使一些在常温常压下反应速度很慢地热力学反应,在水热条件下可实现反应快速化.无机晶体材料地溶剂热合成研究是近二十年发展起来地,主要是指在非水有机溶剂热条件下地合成,用于区别水热合成,非水溶剂同时也起到传递压力,媒介和矿化剂地作用.非水溶剂代替水,不仅扩大了水热技术地应用范围,而且能够实现通常条件下无法实现地反应.水热及溶剂热合成与固相合成地差别主要在于反应机理上,固相反应地机理主要以界面扩散为其特点,而水热与溶剂热反应主要以液相反应为其特点.在溶剂热地条件下,由于ZnO地稳定相是六方相,加上极性生长,较易得到ZnO地一维纳M材料.EmxvxOtOco

②化学反应自组装法[10]