一维氧化镓纳米材料研究进展

摘要：本文从β-Ga2O3的制备，性质及β-Ga2O3在气体传感器和深紫外光电探测器的纳米器件中的应用等方面，介绍了一维β-Ga2O3纳米材料。

关键词：氧化镓；一维纳米材料；气体传感器；光电探测器

Research Progress of One - dimensional Gallium Oxide Nanomaterials

Abstract：In this paper one-dimensional β-Ga2O3 nanomaterials are introduced from the aspects of preparation and properties of β-Ga2O3 and the application of β-Ga2O3 in nanosensors of gas sensors and deep ultraviolet photodetectors.

Key words: gallium oxide; one-dimensional nanomaterials; gas sensors;

photodetectors

1.引言

随着电子技术的发展，微米级器件研发利用已不能满足器件对高集成度和低功耗的要求，并且器件集成度的提高要求器件特征尺寸必须减小。相比于块体材料，由于一维纳米材料具有优异的光、电、磁等性能，近年来一维纳米材料己经成为纳米材料研究热点[1]。金属氧化物纳米线材料是纳米结构中非常独特的一种类型，是电荷的最小载体，不仅可以作为可靠的纳米尺度连接线，自身更具有器件功能。通过掺杂手段，可以方便地获得掺杂纳米线及其异质结结构。因此，金属氧化物纳米线是构筑纳米传感器件的理想基元[2]。

氧化镓（Ga2O3）是一种直接带隙半导体材料，其吸收带在240nm-280nm之间[3]，常温下其能隙带宽为4.9eV，并拥有良好的热稳定性和化学稳定性，此外还具有优良的导电以及发光性质[4]，因此可使用在透明导电膜、光电元件、气体传感器等方面。

氧化镓有许多不同的晶体结构，常见的有α、β、γ三种结构[4]。其中β-Ga2O3是具有单斜结构的半导体晶体材料，在室温下结构稳定，且单晶可以导电[3]。目前已经见诸报道的利用CVD方法得到的氧化镓几乎全部都是β相。

当前，一维Ga2O3纳米材料的研究热点主要集中于纳米线、纳米棒、纳米管等，已通过热蒸发法、物理蒸发法、气相外延法、碳热还原法、热退火法等成功制得一维Ga2O3纳米材料。

2.一维Ga2O3纳米材料的生长机制与制备

2.1一维纳米材料的生长机制

2.1.1 VSL(气-液-固)晶体生长机制

Wagner等[5]提出VLS机理：高温时原料中的原子被蒸发出来，与载运气体分子碰撞而损失热运动能量，使原料蒸气迅速冷却成为过冷气体，在较低的温度下形成低共融的触媒液滴，从而在气相和基体之间形成一个对气体有较高容纳系数的界面，该界面层不断吸纳气相中的反应物分子，达到一定的过饱和度后形成晶核，然后晶体向上生长，出现VLS机理的基本特征顶端凝固的小液滴。

2.1.2 VS(气-固)晶体生长机制

ang等[6]提出VS机理：螺旋位错结构为其不断纵向生长创造了条件，表面降低的自由能提高了生长的驱动力，在适当的温度下形成晶核，达到临界值时沿着柏氏矢量方向生长。用这种方法制备纳米线可控性差，受气相压力、流速的影响大[3]。

图1 VSL和VS机理制备一维Ga2O3纳米材料示意图

2.2一维Ga2O3纳米材料的制备

2.2.1热蒸发法

Liu[7]通过使用镓金属作为源材料的化学热蒸发法合成氧化镓纳米线。在氧

化铝舟皿中的氧化铝基板上放置0.5g镓金属（99.999％）。然后将氧化铝舟在管式炉中在900℃下在环境压力下以100ml / min的Ar流速加热1小时。在将体系自然冷却至室温后，在氧化铝基底上围绕镓金属获得白色产物层。图2中，X射线衍

射和透射电镜表征表明所获得的纳米线是良好结晶的单相单斜Ga2O3。

图2 氧化镓纳米线的XRD和TEM表征

2.2.2碳热还原法

Wu[8]等首次用粉与石墨的球磨混合粉末作为原料，在流动的氮气保护下980℃反应2h，成功合成了直径为60nm的β-Ga2O3纳米线。郭彦[9]用CVD法合成的

碳纳米管作还原剂，在980℃还原Ga2O3粉末，生成的气态Ga2O与载气Ar中含有的微量O2反应，在多孔氧化铝模板上沉积得到Ga2O3纳米带。生长机理：首先是固态Ga2O3和C发生反应，生成的Ga2O蒸气和Ga蒸气分别与O2发生如下反应：

①Ga2O3(S)+2C(S)→Ga2O(V)+2CO(g)

Ga2O3(S)+3C(S)→2Ga(V)+3CO(g)

②Ga2O(V)+O2(g) → Ga2O3(S)

4Ga(V) +3O2(g) → 2Ga2O3(S)

式中：S为固态，V为蒸气，g为气态。

2.2.3热退火法

Kim等[10]采用球磨的GaN热退火工艺，制备出至今报道的最长的β-Ga2O3纳米线。并提出了可能的生长机理：GaN粉体经球磨后其颗粒的尺寸明显减小，颗粒的比表面积明显增大，其表面原子处于更高的活性状态，能更充分的与H2O

分子反应生成成GaOOH。在930℃退火过程中，GaOOH粉体脱水形成β-Ga2O3蒸气，蒸汽被氮气带至管式炉中部沉积在氧化铝舟的内壁，生成Ga2O3纳米线。

Woo-Sik[11]通过在流动的氮气中压缩氮化镓（GaN）粉末的热退火合成β-Ga2O3纳米线。作者认为Ga2O3蒸汽可能通过氧与由GaN分解形成的气态Ga 的反应形成。Ga2O3蒸气扩散到通过压实GaN粉末导致的空隙中并且在那里过饱和，通过气- 固（VS）机制生成Ga2O3纳米线。GaN粉末通过以下两种途径被氧化成Ga2O3：

①：4GaN(s)+ 3O2(g)→ 2Ga2O3(s) + 2N2(g)

②：2GaN(s) → 2Ga(g) + N2(g)

4Ga(g) +3O2(g) → 2Ga2O3(g)

Ga2O3(g) → Ga2O3(s)

2.2.4溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法[3]，是指金属有机或无机化合物，经过水解缩聚过程逐渐凝胶化及相应的后处理而成氧化物或其他化合物固体的方法。其过程是：首先要配制金属有机分子的溶液；将它们溶解进共同的溶剂中并通过它们的浓度调节不同金属原子的比值。Sinha等[12]首次用溶剂热结合和非水反胶束的方法制得Ga203。他们利用NaAOT和Ga的非水溶液制得反胶束，后经溶剂热法在石英衬底上沉积2-3 nm的β-Ga203。

2.2.5物理蒸发法

1999年张洪洲[4]等利用物理蒸发的方法制得了Ga2O3纳米材料。将镓置于石英舟中，并将石英舟放置于陶瓷管式炉中陶瓷管的进气流端。通入90%的Ar和10%的H2作为载流气，恒温300℃，在100Torr (1 Torr =133.3 Pa)气压条件下反应24小时后，在石英舟壁上生成直径约为60nm的β- Ga2O3单晶纳米线。

Fei Wang[13]使用基于VLS机理的物理蒸发法合成长度为几十微米和直径范

围为100-250nm的单斜晶氧化镓（β-Ga2O3）纳米线。将一小片GaAs晶片用作前体，并放置在炉管的中心。Au涂覆的硅晶片的条带用作基底并且放置在距前体3-5cm的位置。在开启炉之前，用真空泵从石英管中排出空气。当炉子加热到500℃时，我们将恒定的氩气流（流速：150cm3/分钟）通入管中，并调节泵送速率以保持管内104Pa的压力，然后将温度升至1100℃，并保持纳米线生长45min。然

后，炉冷至室温，发现深灰色产物沉积在基底上。图3的纳米线显示出优异的直径均匀性和侧壁平滑度。

图3 基于VLS机理的物理蒸发法合成的β-Ga2O3微观形貌

2.2.6金属有机化合物气相外延与晶体VSL生长法相结合

Chang[14]用金属有机化合物(乙酰丙酮镓)气相外延法制备了β-Ga2O3纳米线，纳米线的整个生长过程为VLS机制生长。其机理是在550℃高温区，单层的Au 原子沉积在蓝宝石衬底(0001)表面并形成团簇，当气化分解的Ga和O混合气氛到达高温区时，Au首先与气氛中的Ga形成Au／Ga合金液滴，然后液滴不断吸收周围气氛中的O而沉积出Ga2O3，继续生长形成β- Ga2O3纳米线。

Kim[15]使用三甲基镓（TMGa）和氧（O2）混合物的反应在蓝宝石衬底上制备大尺寸的氧化镓纳米线阵列。氧化镓纳米线的横截面具有直径为约40-110nm 的圆形形状。图4透射电子显微镜显示纳米线是非晶相。

图4 （a）低倍TEM图像（b）高分辨率TEM图像

3.一维β-Ga2O3纳米材料的性能

图5(a)，室温下β-Ga2O3纳米带的PL光谱的PL发射峰[9]，，分别为中心在360nm(3.44eV)的紫外光和中心在398nm(3.12eV)的蓝光。紫外光发射峰的强度比蓝光的强度要弱。β-Ga2O3纳米线具有蓝光和紫外光发射特性，这归因于氧空位和镓-氧空位对缺陷[16]。在受激后，受体上产生一个空位，对应的给体上产生了一个电子。这个电子和空位之间的结合就可以产生一个蓝光光子。随着温度的升高，电子突破能垒跃迁到传导能级，空位也经过价带发生跃迁。这个自缚电子空穴对的再结合就可以产生一个紫外光子。

图5 (a) β-Ga2O3纳米带的PL光谱；(b) β-Ga2O3纳米线的CL光谱

Kumar等[20]在文献中分析到，图5(b)中β-Ga2O3纳米线具有强的宽UV-蓝色发射带和弱红色发射带。第一峰值395nm (3.13eV)与UV发射相关，而第二峰值450nm (2.76eV)与蓝色发射相关。Villora等人提出UV发射（3.55和3.13eV）与氧空位有关。蓝色发射(2.95eV)被分配给供体上的电子和受体或供体-受体对(DAP)上的空穴的复合。供体由氧空位(V O)形成，而受体由镓(V Ga)或镓-氧空位对(V Ga-V O)形成，氧空位和镓-氧空位对在高生长温度下产生。作者在足够的高温(950℃)下进行的实验。因此，根据Villora等人的研究，在生长的纳米线中存在足够数量的氧空位，其产生UV以及蓝色发射。

4. 一维β-Ga2O3纳米材料的应用

4.1光电探测器

冯喜宁[17]采用CVD制备出Ga2O3纳米线，发展出一种新的探针刻划法，构建了基于Ga2O3纳米线网络结构的紫外探测器件。图6为制作的Au / Ga2O3/Au 器件在1V偏压的伏安（I-V）曲线。从图中观察到，紫外光照射下的电流较未照射时有显著的增强，器件光电流与暗电流之比接近30倍，这表明利用简易方法制作的紫外探测器件具有较高的探测灵敏度。

图6 无光照与254nm紫外光照射下I-V曲线的对比

Jianu Du[18]设计光电检测器如图7。图8显示，在200-250nm的UV区域中获得高光响应，在约270nm处截止，这与Ga2O3的带隙一致。最大响应度位于231nm，归因于Ga2O3纳米线更强的吸收。响应抑制比（R231nm/R290nm）大于三个数量级，响应曲线的半高全宽在脉冲激光照射下仅为1.2ns。β-Ga2O3纳米线在光电探测器中灵敏度高，响应速度快。

图7 Ga2O3纳米线光电检测器的简图

图8 10V偏压下检测器的响应度；在脉冲激光照射下探测器的响应时间

4.2气体传感器

钟维等[2]使用CVD制备出大面积氧化镓纳米线，结合光刻以及镀膜工艺，实现了氧化镓纳米线的图形化可控生长。利用生长在衬底上的图形化氧化镓纳米

线阵列制成气体探测元件。氧化镓材料的电导在高温( 400℃以上) 下随环境气氛显著变化的电学性质可用于汽车尾气成分的检测。

a-Ling Wu等[19]使用β-Ga2O3纳米线制造气体传感器。β-Ga2O3纳米线传感器显示在异丙醇（IPA）气体的温度下的可逆响应低至100℃。300ppm IPA气体时：在100℃，200℃和300℃对应的传感器测量响应分别为7.5％，13.5％和23％。

图9 制造的β-Ga2O3纳米线传感器的示意图气体传感器对IPA的响应Liu等[21]研究了Ga2O3纳米线气体传感器对于H2，NH3和H2S的还原性气体的气体感测，结果表明在低工作温度场中使用Ga2O3基气体传感器的可能性。图7给出了对200ppm，H2，NH3和H2S的传感器响应比对CO的传感器响应低得多，即Ga2O3纳米线气体传感器选择性地对CO气体作出响应，纳米线表面上的吸附/解吸主导Ga2O3纳米线的气体感测。

图10 200ppm CO，H2，H2S和400ppm NH3时，Ga2O3纳米线传感器的响应

5.结论

本文从制备，性能到纳米器件的应用简要概述一维氧化镓纳米材料。

一维Ga2O3纳米材料的制备已经形成产业化，但主要是采用电弧放电结合晶

体气-固生长机制合成的，产量低、纯度也不高，并且纳米线中存在缺陷，如层错、孪晶等[4]。显然，这些都会限制其在纳米器件中的应用。因此，对于一维Ga2O3，纳米材料的研究，还有许多工作要做：继续探索新的制备方法，特别是寻求产量高、尺寸和结构形态可控的制备方法；以一维纳米材料为构筑单元，构建、组装原理性纳米元器件，为纳米器件的研制和实际应用奠定基础[22]。

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纳米氧化锌的部分特性

纳米氧化锌的部分特性薛元凤051002231 摘要：纳米材料的物理化学性能与其颗粒的形状、尺寸有着密切的关系。因此，单分散纳米材料的制备及其与尺寸相关的性能研究成为近几年人们研究的热点之一。ZnO作为一种宽禁带半导体具有独特的性质，在纳米光电器件、光催化剂、橡胶、陶瓷及化妆品领域有着广阔的应用前景，随着对不同形状的纳米ZnO的制备及其相关的性能研究不断升温，对其应用方面的研究进展不断深入，单分散纳米ZnO材料已经引起了人们越来越广泛的关注。ZnO作为一种宽禁带，高激子结合能的氧化物半导体，以其优越的磁、光、电以及环境敏感等特性而广泛地应用于透明电子元件、UV 光发射器、压电器件、气敏元件以及传感器等领域。ZnO 本身晶格结构特点决定了在众多的氧化物半导体中是一种晶粒形态最丰富的材料。本文主讲纳米氧化锌紫外屏蔽、光电催化、气敏、磁性等特性，及纳米氧化锌在生活中、工厂作业中的用途。关键词：紫外屏蔽光电催化气敏导电性磁性 1 引言随着纳米科学的发展，人类对自然的认识进入到一个新的层次。材料的新性质被逐渐发掘!认识，新的理论模型被提出"著名学者钱学森院士预言：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是二十一世纪的又一次产业革命”。纳米ZnO具有优异的光、电、磁性能，在当今一些材料研究热点领域表现活跃。与普通ZnO相比，纳米ZnO颗粒尺寸小，微观量子效应显著，展现出许多材料科学家渴望的优异性质，如压电性，荧光性，非迁移性，吸收和散射电磁波能力等。大量科研工作集中于纳米ZnO材料的制备、掺杂和应用等方面。制备均匀、稳定的纳米ZnO是首要任务，获得不同形貌的纳米结构，如纳米球、纳米棒、纳米线、纳米笼、纳米螺旋、纳米环等，将这些新颖的纳米结构材料所具有的独特性能，应用到光电、传导、传感，以及生化等领域，取得了可喜的成绩。世界各国相继大量投入，开发和利用纳米ZnO材料，使其在国防，电子，化工，冶金，航空，生物，医学和环境等方面具发挥更大的作用。 2简介纳米氧化锌(ZnO)问世于20世纪80年代，其晶体结构为六方晶系P63mc空间群，纤锌矿结构，白色或浅黄色的晶体或粉末，无毒，无臭，系两性氧化物，不溶于水和乙醇，溶解于强酸和强碱，在空气中易吸收二氧化碳和水，尤其是活性氧化锌。

准一维纳米结构的电子显微学研究

电子显微学报980514 电子显微学报科技期刊 Journal of Chinese Electron Microscopy Society 1998年第十七卷　第五期（总第79期）准一维纳米结构的电子显微学研究白志刚　张洪洲　丁　杭青岭　俞大鹏　冯孙齐 (北京大学电子光学及电子显微镜实验室，北京 100871) (北京大学物理系介观物理国家重点实验室，北京 100871) 自从1991年，Iijima发现纳米碳管［1］以来，一系列准一维纳米材料被相继用不同方法合成出来。由于其独特的结构特性和因此而具有的不同于体材料的新颖的物理性质，这些准一维纳米材料有着很大的基础研究价值和潜在的应用价值，因而受到人们的广泛研究和关注。最近，我们利用脉冲激光沉积及物理蒸发的方法，合成出了硅纳米线(SiNW)［2， 3］及GeO-2纳米线(GeONW)，并利用X射线衍射、透射电镜(包括EDS)等手段对这些材料的化学组成、形态、显微结构、缺陷和生长机理等进行了研究。将Si粉(纯度99%)和Fe粉按重量比95∶5混合，热压成靶，放在一根由高温管式电炉加热，可抽负压的石英管内，在流动的Ar气氛下(压力2.67×104Pa)，1200℃高温下蒸发，得到了一种暗黄色海绵状产物，该产物即为硅纳米线。我们发现，用激光蒸发或简单的物理升华法，都能得到硅纳米线，两种情况下产物的形态、结构完全相同；而且，这种方法具有很好的可重复性。图1为典型的硅纳米线低倍透射电子显微像。由图中可见，硅纳米线为表面光滑的准一维结构，且纯度极高(～99%)，直径分布均匀 (15nm±3nm)，长度从几十到几百微米。图1左上角插图为硅纳米线的选区电子衍射(SAED)花样，为典型的多晶硅衍射环，其中前三个环分别对应于｛111｝、｛220｝和｛311｝平面族的衍射，相应的晶面间距分别为0.31nm,0^19nm和0.16nm。X射线衍射结果显示，硅纳米线的全部衍射峰与多晶硅粉末不仅位置完全相同，相对强度也完全一致。这进一步说明硅纳米线与大块硅结构相同。根据X射线衍射最强峰计算，硅纳米线的晶格常数较大块硅有些轻微膨胀(～0.4%)。高分辨透射电镜分析(HREM)给出硅纳米线更多的结构细节。图2为单根硅纳米线的HREM像。图中可见一维和二维的{111}晶格条纹，对应晶面间距为0.31nm。从图中可以看出，在硅纳米线的外面有一层厚2—3nm的非晶层，估计来源于因暴露空气而导致的表面氧化，这层非晶可用稀HF溶液溶掉。对大量硅纳米线的HREM观察结果的统计表明，硅纳米线的一般生长方向为〈112〉方向。这与传统的VLS(vapor-liquid-solids) 晶体生长模型［5］中硅的〈111〉生长方向有所不同。另外，HREM分析还显示，在硅纳米线中存在大量的层错、微孪晶和小角晶界等结构缺陷。这些结构缺陷被认为与硅纳米线的成核、生长及其形貌有密切的关系［4］。以上这些证据使我们认为，硅纳米线是按一种不同于VLS模型的机制生长；在这种机制中，结构缺陷及原子气团的定向运动对硅纳米线的一维择优生长起重要作用。利用同样的物理蒸发的方法，我们还制备出了GeO-2纳米线。靶材料由高纯Ge粉 file:///E|/qk/dzxwxb/980514.htm（第 1／3 页）2010-3-22 18:37:28

纳米氧化锌的奇妙颜色

纳米氧化锌的奇妙颜色 --作者冯铸（高级工程师，工程硕士宝鸡天鑫工业添加剂有限公司销售经理）纳米级活性氧化锌有多种生产方式，而每种生产方式及各个生产方式的工艺差别的不同，使得最终产品的颜色不同，即呈现微黄色的程度不同。一、物质颜色的由来物质的颜色都是其反光的结果。白光是混合光，由各种色光按一定的比例混合而成。如果某物质在白光的环境中呈现黄色（比如纳米氧化锌），那是因为此物体吸收了部分或者全部的蓝色光。物质的颜色是由于其对不同波长的光具有选择性吸收作用而产生的。不同颜色的光线具有不同的波长，而不同的物质会吸收不同波长的色光。物质也只能选择性的吸收那些能量相当于该物质分子振动能变化、转动能变化及电子运动能量变化的总和的辐射光。换句话说，即使是同一物质，若其内能处在不同的能级，其颜色也会不同。比如氧化锌，不论是普通形式的，还是纳米形式的，高温时颜色均很黄，温度降低时颜色变浅。原因在于在不同温度时，氧化锌的分子能及电子能的跃迁能量不同，因此，对各种色光的吸收不同。二、粗颗粒的氧化锌与纳米氧化锌的结构区别，及由此导致的分子内能差异粗颗粒的直接法或间接法氧化锌是离子晶体。通常来说，锌原子与氧原子以离子键形式存在。由于其颗粒较粗，每个颗粒中氧原子与锌原子的数量相当多，而且两种原子的数量是一样的（按分子式ZnO看，是1：1）。但对于纳米氧化锌，其颗粒相当细，使得颗粒表面的未成键的原子数目大增。也就是说，纳米氧化锌不能再看成具有无限多理想晶面的理想晶体，在其表面，会有无序的晶间结构及晶体缺陷存在。表面这些与中心部分不同的原子的存在，使得其具有很强的与其他物质反应的能力，也就是我们通常所说的活性。研究表明：在纳米氧化锌中，至少存在三种状态的氧，他们是晶格氧（位于颗粒内部）、表面吸附氧及羟基氧（--OH），而且，颗粒中锌的数量大于氧的数量，不是1：1的状况。这一点与普通氧化锌完全不同。纳米氧化锌的表面存在氧空缺，有许多悬空键，易于与其他原子结合而发生反应，这也是纳米氧化锌在橡胶中、催化剂中作为活性剂应用的基本原理。由于纳米氧化锌与普通氧化锌的上述不同。使得其颗粒中分子能及电子能的跃迁变化能级不同，因此，其颜色也不同。普通氧化锌是白色，而纳米氧化锌是微黄色。三、纳米氧化锌随时间及环境湿度变化，其颜色的变化对于纳米氧化锌，由于其颗粒表面存在吸附氧及羟基氧，而这两种氧的数量会随着时间的变化而发生变化，比如水分的吸附及空气中氧气的再吸附与剥离等。这两种氧的数量的变化，必然会引起颗粒中分子及电子能级的变化，对光的吸收也不相同，因此，纳米氧化锌的颜色变浅。四、纳米氧化锌的颜色与纯度的关系纯的纳米氧化锌，其颜色是纯微黄的，显得色泽很亮。当纳米氧化锌含杂质，如铁、锰、铜、镉等到了一定程度，会使氧化锌的颜色在微黄色中带有土色的感觉，那是因为铁、锰、铜、镉等的氧化物均为有色物质，相互混合后，几种色光交混，显出土白色。而纳米氧化锌（或者活性氧化锌，轻质氧化锌）随着时间变化而发生的颜色变化，会被土色所掩盖，而使颜色显得变化极小；当纳米氧化锌中含杂质再高时，其颜色会变得很深，更无法观测到其颜色随时间变化的情况。如前所述，物质的颜色是其对外界光线选择性的吸收引起的。因此，在我们比较氧化锌的颜色时，最好在户外光亮的地方观察比较确切。选择不同的环境做比较，会得到不同的比较结果，这也体现了光反射的趣味性。五、关于纳米氧化锌颜色的另外一种解释纳米氧化锌是经碱式碳酸锌煅烧而得。在此过程中，如果碱式碳酸锌未能完全分解，纳米氧化锌的颜色就会显得白一些，因为碱式碳酸锌为纯白色。此外，在南方与北方生产，或在潮湿的雨天与干燥的天气下生产，也会影响颜色。因为纳米氧化锌可与湿空气及二氧化碳反应生成碱式碳酸锌，发生了煅烧过程的逆反应。这种变化对产品质量的影响有多大，现在尚难断定，因为碱式碳酸锌本身也是具有催化作用的，适于在脱硫剂及橡胶行业使用；而在饲料行业，碱式碳酸锌具有与氧化锌同样的功能，它也是一种饲料添加剂，同时，在饲料行业，我们关心的问题主要是重金属的含量是否达到标准要求。

氧化锌纳米材料简介

目录摘要 (1) 1.ZnO材料简介 (1) 2.ZnO材料的制备 (1) 2.1 ZnO晶体材料的制备 (1) 2.2 ZnO纳米材料的制备 (2) 3. ZnO材料的应用 (3) 3.1 ZnO晶体材料的应用 (3) 3.2 ZnO纳米材料的应用 (5) 4.结论 (7) 参考文献 (9)

氧化锌材料的研究进展摘要介绍了氧化锌（ZnO）材料的性质，简单综述一下近几年ZnO周期性晶体材料和ZnO纳米材料的新进展。关键词：ZnO；晶体材料；纳米材料 1.ZnO材料简介氧化锌材料是一种优秀的半导体材料。难溶于水，可溶于酸和强碱。作为一种常用的化学添加剂，ZnO广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、润滑油、油漆涂料、药膏、粘合剂、食品、电池、阻燃剂等产品的制作中。ZnO的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。此外，微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。纳米ZnO粒径介于1-100nm之间，是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品，表现出许多特殊的性质，如非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力等，利用其在光、电、磁、敏感等方面的奇妙性能，可制造气体传感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等[1–5]。下面我们简单综述一下，近几年ZnO周期性晶体材料和ZnO纳米材料的新进展。 2.ZnO材料的制备 2.1 ZnO晶体材料的制备生长大面积、高质量的ZnO晶体材料对于材料科学和器件应用都具有重要意义。尽管蓝宝石一向被用作ZnO薄膜生长的衬底，但它们之间存在较大的晶格失配，从而导致ZnO外延层的位错密度较高，这会导致器件性能退化。由于同质外延潜在的优势，高质量大尺寸的ZnO晶体材料会有利于紫外及蓝光发射器件的制作。由于具有完整的晶格匹配，ZnO同质外延在许多方面具有很大的潜力：能够实现无应变、没有高缺陷的衬底-层界面、低的缺陷密度、容易控制材料的极性等。除了用于同质外延，ZnO晶体

一维纳米材料的制备概述

学年论文 ` 题目：一维纳米材料的制备方法概述学院：化学学院专业年级：材料化学2011级学生姓名：龚佩斯学号：20110513457 指导教师：周晴职称：助教

2015年3月26日成绩一维纳米材料制备方法概述 --气相法、液相法、模板法制备一维纳米材料材料化学专业2011级龚佩斯指导教师周晴摘要：一维纳米材料碳纳米棒、碳纳米线等因其独特的用途成为国内外材料科学家的研究热点。然而关于如何制备出高性能的一维纳米材料正是各国科学家所探究的问题。本文概述了一维纳米材料的制备方法：气相法、液相法、模板法等。关键词：一维纳米材料；制备方法；气相法；液相法；模板法 Abstract: the nanoscale materials such as carbon nanorods and carbon nanowires have become the focus of intensive research owing to their unique applications. but the question that how to make up highqulity one-dimentional nanostructure is discussing by Scientists all around the world. This parper has reviewed the preparation of one dimention nanomaterials ,such as vapor-state method, liqulid -state method ，template method and so on. Key words: one-dimention nanomaterials ; preparatinal method ; vapor-state method liqulid-state method ; template method 纳米材料是基本结构单元在1nm ~100nm之间的材料，按其尺度分类包括零维、一维、二维纳米材料。自80年代以来，零维纳米材料不论在理论上和实践中均取得了很大的进展；二维纳米材料在微型传感器中也早有应用。[1]一维纳米材料因其特殊的结构效应在介观物理、纳米级结构方面具有广阔的应用前景，它的制备研究为器件的微型化提供了材料基础。本文主要概述了近年来文献关于一维纳米材料的制备方法。 1 一维纳米材料的制备方法近几年来，文献报导了制备一维纳米材料的多种方法，如溶胶-凝胶法、气相-溶液-固相法、声波降解法、溶剂热法、模板法、化学气相沉积法等。然而不同制备方法的纳米晶体生长机制各异。本文按不同生长机制分类概述，主要介绍气相法、液相法、模板法三大类制备方法。 1.1 气相法在合成一维纳米结构时,气相合成可能是用得最多的方法。气相法中的主要机

纳米材料习题答案

纳米材料习题答案 1、简单论述纳米材料的定义与分类。答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料可分为三大类：零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。 2、什么是原子团簇谈谈它的分类。 3、通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管如何计算单壁碳纳米管直径答：利用微束拉曼光谱仪能有效地观察到单臂纳米管特有的谱线，这是鉴定单臂纳米管非常灵敏的方法。 100-400cm-1范围内出现单臂纳米管的特征峰，单臂纳米管特有的环呼吸振动模式；1609cm-1，这是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。单臂管的直径d与特征拉曼峰的波数成反比，即d = 224/w d：单壁管的直径，nm；w：为特征拉曼峰的波数cm-1

4、论述碳纳米管的生长机理（图）。答：碳纳米管的生长机理包括V-L-S机理、表面（六元环）生长机理。（1）V-L-S机理：金属和碳原子形成液滴合金，当碳原子在液滴中达到饱和后开始析出来形成纳米碳管。根据催化剂在反应过程中的位置将其分为顶端生长机理、根部生长机理。 ①顶端生长机理：在碳纳米管顶部，催化剂微粒没有被碳覆盖的的部分，吸附并催化裂解碳氢分子而产生碳原子，碳原子在催化剂表面扩散或穿过催化剂进入碳纳米管与催化剂接触的开口处，实现碳纳米管的生长，在碳纳米管的生长过程中，催化剂始终在碳纳米管的顶端，随着碳纳米管的生长而迁移； ②根部生长机理：碳原子从碳管的底部扩散进入石墨层网络，挤压而形成碳纳米管，底部生长机理最主要的特征是：碳管一末端与催化剂微粒相连，另一端是不含有金属微粒的封闭端；（2）表面（六元环）生长机理：碳原子直接在催化剂的表面生长形成碳管，不形成合金。 ①表面扩散机理：用苯环坐原料来生长碳纳米管，如果苯环进入催化剂内部，会被分解而产生碳氢化合物和氢气同时副产物的检测结果为只有氢气而没有碳氢化化物。说明苯环没有进入催化剂液滴内部，而只是在催化剂表面脱氢生长，也符合“帽式”生长机理。 5、论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。（1）气相法反应机理包括：V-L-S机理、V-S机理、碳纳米管模板法、金属原位生长。 ①V-L-S机理：反应物在高温下蒸发，在温度降低时与催化剂形成低共熔液滴，小液滴相互聚合形成大液滴，并且共熔体液滴在端部不断吸收粒子和小的液滴，最后由于微粒的过饱和而凝固形成纳米线。 ②V-S机理：首先沉底经过处理，在其表面形成许多纳米尺度的凹坑蚀丘，这些凹坑蚀丘为纳米丝提供了成核位置，并且它的尺寸限定了纳米丝的临界成核直径，从而使生长的丝为纳米级。 ③碳纳米管模板法：采用碳纳米管作为模板，在一定温度和气氛下，与氧化物反应，碳纳米管一方面提供碳源，同时消耗自身；另一方面提供了纳米线生长的场所，同时也限制了生成物的生长方向。 ④金属原位生长：（2）溶液法反应机理包括溶液液相固相、选择性吸附。 ①S-L-S机理：SLS 法和 VLS 法很相似，二者的主要差别在于 SLS 法纳米线成长的液态团簇来源于溶液相，而 VLS 法则来自蒸气相。

碳纳米管作为一维纳米材料

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能……碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善 ( 氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。

纳米氧化锌的研究进展

学号：201140600113 纳米氧化锌的制备方法综述姓名：范丽娜学号： 201140600113 年级： 2011级院系：应用化学系专业：化学类

纳米氧化锌的制备方法综述姓名：范丽娜学号： 201140600113 内容摘要:介绍了纳米氧化锌的应用前景及国内外的研究现状,对制备纳米氧化锌的化学沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、水热合成法、化学气相法的基本原理、影响因素、产物粒径大小,操作过程等进行了详细的分析讨论;提出了每种创造工艺的优缺点,指出其未来的研究方向是生产具有新性能、粒径更小、大小均一、形貌均可调控、生产成本低廉的纳米氧化锌。同时也有纳米氧化锌应用前景的研究。 Describes the application of zinc oxide prospects and research status, on the preparation of ZnO chemical precipitation, sol-gel method, microemulsion, hydrothermal synthesis method, chemical vapor of the basic principles, factors, product particle size, operating procedure, carried out a detailed analysis and discussion; presents the advantages and disadvantages of each creation process, pointing out its future research direction is the production of new properties, particle size is smaller, uniform size, morphology can be regulated, production cost of zinc oxide. There is also promising research ZnO. 关键字：纳米氧化锌制备方法影响研究展望正文：纳米氧化锌是一种多功能性的新型无机材料，其颗粒大小约在1～100纳米。由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点。近年来发现它在

纳米材料氧化锌的制备与应用

纳米材料氧化锌的制备与应用摘要：目的介绍纳米氧化锌的制备方法及其性能应用新进展。方法对近年来关于纳米氧化锌的制备方法及其性能应用的相关文献进行系统性查阅,对其制备方法的优缺点进行分析,并对纳米氧化锌的几种应用、生产提出了展望。结果氧化锌是一种高效、无毒性、价格低廉的重要光催化剂。结论随着环境污染的日益它具有小尺寸效应、表面与界面效应、宏观量子隧道效应、量子尺寸效应等宏观材料所不具备的特殊的性能,使其在力学、磁学、热力学光学、催化、生物活性等方面表现出许多奇异的物理和化学性能,在生物、化工、医药、催化、信息技术、环境科学等领域发挥着重要作用。纳米ZnO 由于粒子尺寸小,比表面大,具有表面效应、量子尺寸效应等,表现出许多优于普通氧化锌的特殊性能,如无毒和非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力等,在橡胶、陶瓷、日用化工、涂料、磁性材料等方面具有广泛的用途,可以制造气体传感器、荧光体、紫外线遮蔽材料、变阻器、图像记录材料、压敏材料、压电材料、高效催化剂等,备受人们重视 1纳米氧化锌的主要制备技术及特点纳米ZnO 的制备方法有多种,可分为物理法和化学法。物理方法有熔融骤冷、溅射沉积、重离子轰击和机械粉碎等,但因所需设备相对昂贵,并且得到粉体的粒径大等局限,应用范围相对狭小。在工业生产和研究领域常用的方法为化学法,包括固相法、液相法和气相法。液相法由于制备形式的多样性、操作简便、粒度可控等特点而备受关注液相法直接沉淀法在锌的可溶性盐溶液中加入一种沉淀剂(如Na2CO3 、NH3·H2O、(NH4) 2C2O4 等) ,首先制成另一种不溶于水的锌盐或锌的碱式盐、氢氧化锌等,然后再通过加热分解的方式制得氧化锌粉体。此法的操作较为简单易行,对设备要求不高,成本较低,但粒径分布较宽,分散性差,洗除阴离子较为困难。固相法固相化学反应法固相法制备纳米氧化锌的原理是将两种物质分别研磨、混合后,再充分研磨得到前驱物,加热分解得纳米氧化锌粉体。无需溶剂、转化率高、工艺简单、能耗低、反应条件易掌握的优点,但是反应过程往往进行不完全或者过程中可能出现液化现象。均匀沉淀法利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢地、均匀地释放出来,加入的沉淀剂通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢地生成。均匀沉淀法得到的微粒粒径分布较窄,分散性好,工业化前景好。

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、

纳米氧化锌的表面改性

文章编号:1005-7854(2004)02-0050-03 纳米氧化锌的表面改性马正先 1,2 ,韩跃新2,印万忠2,王泽红2,袁致涛2,于富家2,马云东 3 (11济南大学,济南250022;21东北大学,沈阳110004;31辽宁工程技术大学,阜新123000) 摘要:在新开发的纳米氧化锌应用中,大多是将氧化锌直接混入有机物中,而把氧化锌直接添加到有机物中有相当大的困难,因此必须对纳米氧化锌进行表面改性。以自制纳米氧化锌为原料,采用钛酸酯偶联剂为改性剂对其进行了表面改性处理。试验发现,改性剂用量是影响改性效果的最重要影响因素,且其用量远远超出普通粉体用量,最后找出了最佳改性条件。借助于T EM 、IR 等测试手段,对纳米氧化锌粉体改性前后的变化进行了表征与分析。试验结果表明,最佳改性条件为:改性剂用量为40%,改性时间约为30min 。关键词:纳米氧化锌;表面改性;红外光谱;钛酸酯偶联剂中图分类号:TB383 文献标识码:A SU RFACE M ODIFICA T ION OF N ANOM ET ER -SIZED ZINC OXIDE MA Zheng -x ian 1,2,HAN Yue -x in 2,YIN Wan -z hong 2,WANG Ze -hong 2, Y UAN Zhi -tao 2,Y U Fu -j ia 2,MA Yun -dong 3 (11Jinan University ,Jinan 250022,China;2.Northeaster n Univer sity ,Shengy ang 110004,China; 31L iaoning Technical University ,Fux in 123000,China) ABSTRAC T:In application of new ly prepared nano -sized zinc ox ide,it is directly added into organic compound mostly,w hich is difficult comparatively.So,it is indispensable that surface modification of nano -sized zinc ox ide is done.The tests on surface modification of sel-f made nano -sized zinc oxide w ere carried out w ith titanate as cou -pling agent.Results indicate that the use level of coupling agent is the most important factor to influence the modification and its dosage is w ell over that needed for common pow der.By m eans of IR and TEM ,unmodified and modified nano -sized zinc oxides are investigated and the optimal modifying conditions are the agent dosage of 40%and modifying time of about 30min. KEY WORDS:Nano -sized zinc ox ide;Surface modification;IR -spectrum ;T itanate coupling agent 收稿日期:2003-09-05 基金项目:国家自然科学基金项目(50374021) 作者简介:马正先,机械学院副教授、博士,主要从事粉体制备与处理及其设备的研究。 1 引言氧化锌的用途十分广泛,主要用于橡胶、油漆、涂料、印染、玻璃、医药、化工和陶瓷等工业112。纳米氧化锌因其全新的纳米特性体现出许多新的物理化学性能,使它在众多领域表现出巨大的应用前景。纳米氧化锌除了作为微米级或亚微米级氧化锌的替代产品外,在抗菌添加剂、防晒剂、催化剂与光催化剂、气体传感器、图像记录材料、吸波材料、导电材料、压电材料、橡胶添加剂等新的应用场合也正在或即将投入应用12-62。在这些应用过程中,大多是与有机物相混的,而氧化锌作为无机物直接添加到有机物中有相当大的困难:1颗粒表面能高,处于热力学非稳定状态,极易聚集成团,从而影响了纳米颗粒的实际应用效果;o氧化锌表面亲水疏油,呈强极性,在有机介质中难于均匀分散,与基料之间没有结合力,易造成界面缺陷,导致材料性能下降。所以,必须对纳米氧化锌进行表面改性,以消除表面高能第13卷第2期2004年6月矿冶M INING &M ET ALLURGY Vol.13,No.2 June 2004

氧化锌介绍

制备途径自然界的红锌矿中存在氧化锌，但纯度不高。工业生产中使用的氧化锌通常以燃烧锌或焙烧闪锌矿的方式取得。全球氧化锌的年产量在1000万吨左右，[1]有以下几种生产方法。间接法间接法的原材料是经过冶炼得到的金属锌锭或锌渣。锌在石墨坩埚内于1000 °C的高温下转换为锌蒸汽，随后被鼓入的空气氧化生成氧化锌，并在冷却管后收集得氧化锌颗粒。间接法是于1844年由法国科学家勒克莱尔（LeClaire）推广的，因此又称为法国法。间接法生产氧化锌的工艺技术简单，成本受原料的影响较大。间接法生产的氧化锌颗粒直径在0.1-10微米左右，纯度在99.5%-99.7%之间。按总产量计算，间接法是生产氧化锌最主要的方法。间接法生产的氧化锌可用于橡胶、压敏电阻、油漆等产业。锌锭或锌渣的重金属含量直接影响产物的重金属杂质含量，重金属含量低的产品，还可用于家畜饲料、药品、医疗保健等产业。直接法直接法以各种含锌矿物或杂物为原料。氧化锌在与焦炭加热反应时，被还原成金属锌被蒸汽，同时再被空气中的氧气氧化为氧化锌，以除去大部分杂质。直接法获得的氧化锌颗粒粗，产品纯度在75%-95%之间，一般用于要求较低的橡胶、陶瓷行业。湿化学法湿化学法大体可分为两类：酸法与氨法。二者分别使用酸或碱与原料反应，而后制备碳酸锌或氢氧化锌沉淀。经过过滤、洗涤、烘干和800°C的煅烧后，最终得到粒径在1~100纳米的高纯度轻质氧化锌。酸法通常是将含锌原料与硫酸反应，得到含有重金属离子的非纯净的硫酸锌溶液。然后经过氧化除杂、还原除杂，以及多次沉淀，除去大量的铁、锰、铜、铅、镉、砷等离子，得到纯净的硫酸锌溶液。将此溶液与纯碱中和，得到固体的碱式碳酸锌。碱式碳酸锌经洗涤、烘干及煅烧，得到轻质氧化锌。酸法生产的产品质量较高。氨法通常是用氨水及碳铵与含锌原料反应，得到锌氨络合物，然后除杂，得到合格的锌氨络合溶液，然后经过蒸氨，使锌氨络合物转换为碱式碳酸锌。最后经烘干、煅烧而得到轻质氧化锌。氨法的成本相对较低。水热合成法水热合成法是指在密闭的反应器（高压釜）中，通过将反应体系水溶液加热至临界温度，从而产生高压环境并进行无机合成的一种生产方法。该方法获得的氧化锌晶粒半径小，且结晶完好。将水热法与模板技术相结合，则能获得不同形态、不同尺寸的纳米氧化锌粉体。该方法目前还仅停留在试验阶段，尚存在工艺设备复杂、成本较高的问题，但也被认为是一种很有产业化潜力的方法。喷雾热分解法喷雾热解法是将金属盐溶液以雾状喷入高温气氛中，通过溶剂的蒸发及随后的金属盐热分解，直接获得纳米氧化物粉体；或者是将溶液喷入高温气氛中干燥，然后经热处理形成粉体的生产方法。该法制备的纳米粉体纯度高，分散性好，粒径分布均匀，化学活性好，并且工艺操作简单，易于控制，设备造价低廉，是最具产业化潜力的纳米级别氧化锌粉体的制备方法之一。编辑本段应用领域橡胶制造工业生产的氧化锌有50%流向橡胶工业。氧化锌和硬脂酸作为橡胶硫化的重要反应物，是橡胶制造的原料之一。氧化锌和硬脂酸的混合加强了橡胶的硬化度。氧化锌也是汽车轮胎的重要添加剂。除了硫化作用，氧化锌能大大提高橡胶的热传导性能，从而有助于轮胎的散热，保证行车安全。氧化锌添加剂同时也阻止了霉菌生物或紫外线对橡胶的侵蚀。主

ZnO纳米材料的制备与应用

ZnO纳米材料制备及其应用研究进展前言：ZnO晶体材料具有六方纤维矿结构，属于直接跃迁宽带半导体材料，其室温下带隙约为3．35eV。具有大的激子结合能，约为60meV，比GaN激子结合能(～25meV)还要大，而且与InGaN材料的晶格较为匹配，因此有利于这两种材料的集成，这些性质在光电子器件制备领域都是十分优越的材料特性。众所周知，由于纳米材料具有大的比表面积、以及量子尺寸效应等特殊性质，近几年来，人们对于ZnO纳米材料的研究工作以极快的速度进展。人们采用了多种方法，诸如分子束外延、热蒸发、化学气相沉积、射频溅射、电化学沉积、溶胶凝胶法，以及脉冲激光沉积等，制备出了多种纳米结构的ZnO材料，诸如纳米棒、纳米线、纳米管、纳米带、纳米颗粒，以及纳米花状结构等。这就使得ZnO纳米材料既具有ZnO 晶体所具有的优异本征特性，又可具有多种变化的纳米结构。可以预期，它在光、声、电纳米器件等诸多应用领域将有着广阔的应用前景。本文将就ZnO纳米材料的制备方法、纳米结构、及其应用研究进展作一简要介绍。 1 ZnO纳米材料制备方法 1．1 等离子体辅助分子束外延(Plasma—assistedMBE 1日本的Yefan Chen等人利用等离子体辅助分子束外延方法在蓝宝石衬底上制备出了纳米ZnO薄膜。锌束流是由蒸发锌元素材料而提供的。而活性氧是由微波等离子体源所产生的。氧等离子体的发光谱研究表明，在氧束流中包含有O ，O ，O“等多种粒子，但是在加大流速的情况下，将以原子氧成分为主。蓝宝石衬底在进行化学侵蚀后，放到850~C高温下净化处理，最后再放入氧等离子体中处理。衬底处理过后，放人反应室进行薄膜生长。调控束流、和微波等离子体功率维持以原子氧为主的反应气氛，衬底温度控制在450—750oC，在蓝宝石C一面(0001)上便可生长出ZnO薄膜。 1．2 热蒸发(Thermal evaporation) Kazuki Bando等人采用热蒸发的方法制备出了ZnO纳米带。将ZnO粉末放入陶瓷舟内，将陶瓷舟及一段陶瓷管同时放入炉膛内加热。在1450~(2温度下加热3h，并以50sccm的流量通入氩气。便可在陶瓷管壁上形成白色ZnO物质。在扫描电子显微镜(SEM)下观察，则是由宽度各不相同的纳米带状结构组成。 1．3 溶胶一凝胶法(SOl—gel technique) D．Basak等人利用溶胶一凝胶法在蓝宝石(0001)晶面上制备了ZnO薄膜J。以乙酸锌[zn(CH CO0) ·2H 0]为先驱物，加入包含有2．86ml二甲基胺(dimethylamine)稳定剂的脱水异丙基醇(dehydrated isopropyl aleoho1)中，制成0．6M 的溶胶。而后用磁力搅拌器进行搅拌，一直到

纳米材料的表面效应

纳米材料微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm--100nm）调制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团蔟（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维调制的纳米多层膜；二维调制的纳米微粒膜（涂层）；以及三维调制的纳米相材料。纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、长程有序的"气体状"固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的"第三态晶体材料"。正是由于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应，即表面效应和界面效应、小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应），从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。（1）表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸

附气体等等。（2）小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。（3）量子尺寸效应当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。（4）宏观量子隧道效应