氧化锌纳米材料的制备与应用

ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＺｉｎｃＯｘｉｄｅＮａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ
ＧａｏＳｈｅｎｇｐｉｎｇ，ＺｈａｎｇＸｉａｎｚｅ，ＨｕａＪｉｎｇｔｏｎｇ，ＳｕｎＬｉｌｉ，ＣｈｅｎＹｕ，ＣｈｅｎＸｉａｏｑｉ，ＬｉＹｕ，ＬｉＸｉａｎｇｑｉ，ＬｉＨｕｉ
（ＮａｎｊｉｎｇＴｅｃｈ．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｕｊｉａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１３４，Ｃｈｉｎａ）
目前，环保问题日益突出的今天光催化氧化作为一项环境 友好型技术，ＺｎＯ在 这 方 面 表 现 出 很 强 的 优 势，得 到 了 人 们 的 广泛关注与研究［１１－１２］。光电方面 ＺｎＯ纳米管作为敏化太阳电 池的光阳极的染料，提高光电效率有着重要作用 一 ［１３］ 维 ＺｎＯ 纳米材料的制备方法的研究以及相应的生长机理或是生长过 程依旧是研究的热点。还有一部分研究人员致力于 ＺｎＯ纳米 材料的掺杂技术的研究，试图找到一种合理、重复性好、掺杂后 结构稳定的掺杂方法。
现阶段的热点是研究一维氧化锌纳米材料生长机理，控制其 生长过程及性状；提高制备效率，得出高质量的氧化锌结晶。研究 对氧化锌复合、掺杂的其他材料，提高研究者们所需要的性能。
２ ＺｎＯ的结构与性质 ２．１ 氧化锌的晶体结构
（ａ）纤锌矿结构；（ｂ）岩盐矿结构；（ｃ）闪锌矿结构
图 １ ＺｎＯ的三种晶体结构
收稿日期：２０１８－０４－１６ 基金项目：本项目受到南京工业大学浦江学院 ２０１７年大学生创新创业训练计划资助（ＰＪ２０１７１３９０５０１１Ｘ） 作者简介：高生平（１９７９—），山东沂南人，工学博士，现在主要从事新能源新材料研究。
１ ＺｎＯ的研究历史及现状
美国物理学家理查德 ｏ费曼于 １９５９年提出纳米材料的概 念 ［１］。１９８２年扫描隧 道 显 微 镜 （ＳＴＭ），使 人 类 第 一 次 能 够 观 察到单个原子。１９９１年，日本物理学家饭岛澄男第一次发现碳 纳米管（ＣＮＴ）［２］，引 发 了 许 多 科 研 人 员 的 关 注，由 于 其 优 异 的 特性使得人们开始深入研究［３］。
半导体材料 ＺｎＯ是直接宽带隙半导体材料，禁带宽度约为 ３．３７ｅＶ，常温下激子束缚能为 ６０ｍｅＶ，所以束缚激子不易产生 热离化现象，一般 呈 现 出 六 角 纤 锌 矿 结 构。 近 几 年，受 到 世 界 范围内半导体材料及器件研究者的广泛关注。因为 ＺｎＯ半导 体材料具有良好的物理 性 （导 电 性、压 电 性、光 电 性 等 ）和 化 学 性（稳定性、气敏性等），可应用于如场效应管，压电传感器，紫 外光探测器，ＬＥＤ，紫外激光器，气敏传感器等器件中。使用不 同的生长方法或不同的生长条件，最终制备的 ＺｎＯ纳米材料的 生长结构也不尽相 同，可 呈 现 为 纳 米 点，纳 米 线，纳 米 带，纳 米 环，纳米管等多种结构。研究 ＺｎＯ纳米结构的制备与其在各个 领域的应用，以期可以提高制备的效率、降低成本，应用于更多 的领域，促进相应领域的发展。
第 １２期
高生平，等：氧化锌纳米材料的制备与应用
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氧化锌主要有三种结构（图 １）［１４］。最常见的是六方型的 纤锌矿结构与四方型闪锌矿的结构 ，还有一种岩盐结构，能够 在高压力下形成在一定的条件下，这几种形态是会互相转换。
２．２ 氧化锌的电学特性
氧化锌作为半导体材料中重要的一种，其电学性能受到研 究人员的广泛关注。氧化锌的带隙非常宽，常温下禁带宽度高 达 ３．３７ｅＶ，载流子浓度极低，约为 １０６ｃｍ－３，属于绝缘材料。但 是在实际中制备的氧化锌一般呈现为 ｎ型半导体，并非是绝缘 材料。这是因为实际制备氧化锌材料时会有杂质及缺陷，这些 缺陷就提供了电子，使得氧化锌材料成为了半导体。ＺｎＯ一般 情况下为 ｎ型半导体，制备 ｎ型 ＺｎＯ材料的技术已经较为成 熟。但制备 ｐ型氧化锌半导体的却是目前所遇到的难题，如何 制备高质量的 ｐ型氧化锌半导体是接下来研究的要点。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｒｅｖｉｅｗｂｅｇｉｎｓｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆＺｎＯａｎｄｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｆＺｎＯｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｂａｓｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＺｎＯ ａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＺｎＯ ｉｓｕｓｅｄｉｎ ｓｅｎｓｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｉｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＺｎＯｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｔｃ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＺｎＯ；ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ
对于 ＺｎＯ纳米材料的光电方面研究，早在 ２００１年 ＺｎＯ纳 米结构已经被应用于了光电器件并制成了纳米紫外激光器［４］， 在这之后杨佩东教授的课题组制备出 ＺｎＯ纳米线并应用在了
染料敏化太阳能电池［５］。而对于 ＺｎＯ纳米材料的电学方面研 究，王中林教授及其小组在这方面的建树颇丰———根据对于纳 米材料电学的探索，并以一系列研究的成果为基础创立了压电 电子学［６］。２００６年利用压电效应开发了第一台纳米压电发电 机［７］；２００７他们开发出了用超声波震荡实现稳定输出的纳米直 流发电机［８］；２００８，使用纳米线阵列达成了 ＺｎＯ纳米纤维的发 电［９］；２００９，提出了横线固定纳米线的纳米发电机［１０］。
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摘要：本篇综述从 ＺｎＯ的研究现状开始，描述了 ＺｎＯ研究的进展与成果并介绍了 ＺｎＯ的基本结构和其基本性质及发光、压电、电学特性； ＺｎＯ在传感器材料、光催化、电学方面的应用；ＺｎＯ纳米材料的制备方法等。 关键词：氧化锌；纳米材料；应用；制备 中图分类号：Ｏ６－１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１８）１２－００３８－０２
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山 东 化 工 ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１８年第 ４７卷
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专论与综述
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氧化锌纳米材料的制备与应用
高生平，张贤泽，华靖童，孙莉莉，陈 宇，陈啸琦，李 煜，李香琦，李 会
（南京工业大学浦江学院 新能源新材料研究院 创新创业培训中心，江苏 南京 ２１１１３４）