ZnO納米材料的制備方法及應用

李 雪，李世軍，樊娟娟

(吉林農業大學 信息技術學院，長春 130118)

ZnO納米材料的制備方法及應用

李 雪，李世軍，樊娟娟

(吉林農業大學 信息技術學院，長春 130118)

納米ZnO作為一種寬禁帶直接帶隙半導體材料因其具有發光性、壓電性、導電性、氣敏性、光催化性等諸多的優異性能而被廣泛應用。ZnO材料來源廣泛、價格低廉、無毒無害、制備方法多樣，這些優點使ZnO越來越受到人們關注。本文總結了ZnO納米材料多種制備方法的實驗概況及特點，科研人員可以根據具體需要選擇合適的制備方法。并對納米ZnO的主要應用進行了介紹。

ZnO納米材料;制備方法;應用

0 引言

ZnO是繼GaN以后出現的一種第三代寬禁帶半導體，它具有較高的激子束縛能、激子增益和熔點，較低的生長溫度，所以ZnO比GaN更具優越性。1999年，在美國召開了首屆ZnO專題國際研討會，至此，世界上掀起了ZnO納米材料研究的熱潮。ZnO作為一種寬禁帶直接帶隙Ⅱ -VI族半導體材料，室溫下帶隙寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，發射波長相應于紫外區波長370 nm，因此，ZnO在短波發光器件中存在很大的應用潛力。一般情況下，ZnO具有六角纖鋅礦結構，如圖 1，其晶格常數 a=0.325nm，c=0.520nm［1］。

ZnO是一種新型的多功能半導體材料，具有諸多優異性能，如發光性、壓電性、導電性、氣敏性、光催化性等，主要應用在光催化、紫外光探測器、傳感器、太陽能電池、激光器、發光二極管等方面［2-9］，ZnO材料來源廣泛、價格低廉、無毒無害、制備方法多樣，這些優點使ZnO越來越受到人們關注。

圖1 ZnO具有六角纖鋅礦結構

1 ZnO納米材料的制備方法

制備ZnO納米材料的方法大致分為物理方法和化學方法，化學方法中又分為氣相法、固相法和液相法。為了更直觀的說明及比較ZnO納米材料的制備方法、實驗概況和特點，本文以表格的形式進行介紹。具體內容如表1。

2 ZnO納米材料的應用

2.1 光催化劑

隨著工業和經濟的發展，全球環境污染日益嚴重，光催化法降解有機污染物是目前解決這一問題最有效的途徑。與TiO2相比，ZnO是直接帶隙半導體，其電子躍遷幾率遠高于TiO2，因此有著更高的量子效率，ZnO中存在較多氧空位，能夠加速電子 -空穴對的分離，因此有更高的降解效率，ZnO的光不穩定性問題可以通過控制結構生長得到有效解決，這對于ZnO做為光催化劑的研究具有很強的現實意義。Nazar Elamin等人［19］制備ZnO納米材料光催化劑，110分鐘后，甲基橙幾乎全部降解。Jia Zhi-gang等人［20］制備了負載銀的ZnO納米棒，結果表明當銀和含量為3% 時，光催化的效果最好。

表1 ZnO納米材料的制備方法、實驗概況及特點

續表

2.2 紫外探測

紫外探測技術是繼紅外探測技術和激光探測技術之后發展起來的又一新型探測技術，主要應用在導彈跟蹤、火箭發射、火焰探測、紫外通訊、環境監測、太陽福射測量、紫外激光器控制、醫療、天文等領域。ZnO在紫外區具有高光電導特性，有著更好的抗高能射線輔射能力以及很好的熱穩定性、化學穩定性［21］。K.J.Chen、F.Y.Hung等人利用ZnO納米線薄膜制得紫外光探測器具有很好的紫外區響應，研究結果表明，在紫外光照射下產生的光電流為4.32×10-9A，光響應率為0.011A/W［22］。

2.3 太陽能電池

隨著社會的發展，人們環境保護的意識逐漸增強，各種環境友好的能源開始被各國重視，尤其是太陽能的開發與利用。太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。由于在ZnO納米半導體材料中電子的遷移率大，這大大減少了電子在ZnO納米半導體材料中的傳輸時間，使得ZnO在太陽能電池方面的應用受到重視。Han Jingbin等人利用電沉積發制備出ZnO納米棒，在利用刻蝕的方法制備出高密度垂直ZnO納米管陣列，用其作為光陽極太陽能電池，太陽光轉化效率達到1.18%［23］;香港科技大學研究小組將SnO2納米材料與四腳狀ZnO納米材料復合制作光陽極結構太陽能電池，測試結果表明電池總光電效率可以達到 6.31%［24，25］。

2.4 傳感器

ZnO作為氣體傳感器，其原理可以簡單概括為:當ZnO納米材料暴露在氣體中時，其表面容易吸附氣體分子，在ZnO表面的離子與吸附氣體分子間發生吸附 -脫離、氧化還原等反應，從而引起電子轉移，導致氧化鋅電導率發生變化［26］。J.Y.Son等人利用ZnO納米材料探測乙醇氣體，探測濃度僅為0.2ppm，并且響應迅速，靈敏度可以達到10(Rair/Rgas)［27］。ZnO納米納米材料也可以制作生物傳感器，將生物物質濃度轉換為電信號，李金華等人［28］利用水熱法制備ZnO納米棒陣列，制作葡萄糖生物傳感器用于檢測葡萄糖濃度，實驗表明該傳感器具有很高的靈敏度，探測濃度達到1.0×10-3mol/L，響應時間小于5s。

2.5 發光二極管

發光二極管是一種注入型的電致發光半導體器件，它是一種新型光源，具有效率高、壽命長、不宜破損等優點，其原理是依靠電子在能級間輻射躍遷產生光，發光波長主要由材料的禁帶寬度及相關雜質能級決定［29］。ZnO具有優異的光電性能，并且能夠實現生產高質量大尺寸單晶ZnO，并且ZnO材料來源廣泛，廉價易得，故ZnO已經成為實現商業化的光電材料。Konenkamp等人利用p摻雜的PEDOT/PSS作為空穴傳輸層與ZnO納米棒復合制作發光二極管，啟動電壓為5～7V，在390nm處出現了激子發光，500-1000nm處出現了可見發光［30］。

3 結束語

納米ZnO具有良好的光學和電學性質引起科研人員的廣泛注意，它是一種具有特殊性能和用途的材料。本文介紹了氧化鋅納米材料的制備方法及應用，對當前應用較多的制備方法進行了實驗過程及特點介紹，并進行了利弊分析。我們應當根據需求選擇最佳的制備工藝，使ZnO納米材料向著有利于實際應用的方向去發展。

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Preparation and Application of ZnO Nanomaterials

LI Xue，LI Shi-jun，FAN Juan-juan
(Institute of Information Technology，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China)

As a wide forbidden band，ZnO is a direct band gap semiconductor，which has been widely used because of its superiorities of luminance，piezoelectricity，electrical conductivity，gas sensitivity，photocatalysis and so on.ZnO with the advantages such as the wide resource，low cost，nontoxic and harmless property，as well as various methods of preparation gets much attention.This paper summarizes the experimental survey and characteristics of the preparation of ZnO，providing suitable preparation method for researchers to choose according to specific needs.Moreover，the main application of nanometer ZnO is introduced.

ZnO nanomaterials;preparation method;application

O469

A

1009-3907(2013)12-1590-05

2013-11-03

吉林農業大學校內科研啟動基金(201238)

李雪(1979-)，女，吉林長春人，碩士研究生，主要從事納米半導體材料特性研究。

責任編輯:

程艷艷