納米ZnO合成方法的研究現狀

黨 威 武

（陜西國防工業職業技術學院 機械工程學院， 陜西 西安 710300）

納米ZnO合成方法的研究現狀

黨 威 武

（陜西國防工業職業技術學院 機械工程學院， 陜西 西安 710300）

ZnO作為優良的半導體材料，其納米材料（如納米線、納米棒等）在光、電、磁等方面因具有獨特的性能而被廣泛的應用于各個領域，因此，納米ZnO的制備在近些年得到充分的發展，主要的制備方法分為固相法、液相法和氣相法三大類。就氣相法和液相法中常用的幾種方法進行研究進展分析，指出每類方法的優勢和存在問題，并對納米ZnO制備技術的發展趨勢進行展望。

ZnO；制備；方法

ZnO作為一種寬禁帶半導體材料，禁帶寬度3.37 eV，常溫常壓下是穩定的纖鋅礦結構。由于其成本低、環境友好、易摻雜及適于外延生長等優點成為重要的光電子器件材料之一。其納米材料具有獨特的光學性質、電學性質及磁學性質，如良好的光敏、光催化、近紫外散射、導電性和力學性能等特性，在光催化降解[1]、氣敏材料[2,3]及太陽電池[4-6]等領域有著廣泛的應用。

為了得到高質量的ZnO納米材料以及實現可控制備，科研工作者探究與發展了多種制備方法，根據生長方式和控制方式分為固相法、液相法、氣相法。固相法是將各種反應原料按照一定配比混合，借助研磨、煅燒等手段使其在一定條件下發生反應，從而制備出目標產物的方法，常用的有高能球磨法[7]、固相分解法[8]。液相法是指在化學溶液中進行的制備納米材料的方法，該方法合成簡單、成本低、可進行工業化生產，但產物晶形不夠理想，存在大量缺陷。如水熱法、微乳液法、溶劑熱法、電化學沉積法等。氣相法是通過高溫加熱等手段使反應前驅物轉變成氣體狀態，在氣流作用下運輸至生長區，在基底上成核生長出目標產物的方法。該方法生長速度快，且產物均勻、純度高、結晶性好，缺點是實驗過程中影響因素較多，如反應時間、沉積溫度、氣流大小、前驅物與基底之間的距離等等。如化學氣相沉積法、有機金屬化學氣相沉積、物理氣相沉積法、分子束外延法等。因氣相法和液相法制備納米ZnO較為廣泛，本文介紹其中幾種主要制備方法的進展情況。

1 制備方法

1.1 氣相法

Li等[9]利用氣相傳輸法在不同類型的ZnO種層上制備出ZnO納米棒（圖1），并且研究了種層對ZnO形貌和生長行為的影響，發現ZnO納米棒的陣列分布情況依賴于種層的厚度和表面粗糙度，結果顯示具有沿c軸定向生長、結晶度好的ZnO種層能促進ZnO納米棒陣列的較好定向生長，且ZnO納米棒直徑統一、分布致密。

Yoon等[10]采用化學氣相沉積法在透明導電氧化物基底上垂直生長出ZnO納米線陣列，見圖2。合成步驟的關鍵是在基底上覆蓋了一層鋁箔，鋁箔中間有一小口是為了保持過飽和度在最佳水平上。XRD（X射線衍射分析）表征顯示產物是纖鋅礦結構。

圖1 氣相傳輸法制備的ZnO納米棒SEM照片Fig.1 SEM images of ZnO nanorods prepared by the vapor-phase transport method

圖2 ZnO納米線陣列的（a）截面示意圖和（b）SEM照片Fig.2 (a) Cross-sectional schematic illustrations and (b) SEM image of ZnO nanowire arrays

Lin等[11]采用熱蒸發法在透明導電氧化物基底上制備出一維納米結構的ZnO，如圖3所示，研究發現ZnO納米錐、納米棒、納米線能被分別生長在無催化劑、Pt作催化劑以及Au作催化劑的導電玻璃上（Pt、Au是直徑約10 nm的納米顆粒），實驗原料為鋅粉，溫度為400 ℃。XRD和TEM（透射電子顯微鏡）表征顯示納米ZnO沿c軸定向生長，結晶性良好。

圖3 熱蒸發法制備的ZnO（a）納米錐，（b）納米棒，（c）納米線SEM照片Fig.3 SEM images of ZnO (a) nanocones, (b) nanorods, and (c) nanowires prepared by thermal evaporation method

1.2 液相法

Wen等[12]采用溶劑熱法通過調節溶劑的配比和反應時間成功制備出各種形貌的納米ZnO，有納米線、納米棒、納米梭、納米花等，如圖4所示。結果顯示，納米線和納米棒有高的長徑比，分別大于500和50，物相均為結晶性好的單晶纖鋅礦結構。文中還分析討論生長步驟對產物形貌變化的影響。

Wang等[13]利用水熱法在ZnO薄膜上制備出沿c軸定向ZnO納米棒（圖5），直徑大約在30～100 nm，長度約幾百納米。生長 ZnO納米棒的基底是具有SiO2絕緣層的硅晶片，并在其上通過濺射法沉積一層厚度為5 nm的ZnO薄膜，目的是便于ZnO納米棒的成核生長，反應條件為90 ℃保溫4 h。

圖4 溶劑熱法制備的納米ZnO不同形貌SEM照片Fig.4 SEM images of ZnO nanostructures with different morphologies prepared by solvothermal method

圖5 水熱法制備的ZnO納米棒SEM照片Fig.5 SEM images of ZnO nanorods prepared by hydrothermal method

2 展 望

綜上，納米 ZnO制備方法多樣，為不同形貌ZnO納米材料的可控生長，以及形貌、結構質量的提升奠定基礎。然而，每種制備方法在探索和改進的同時，都伴隨著相應的問題。如水熱法成本低、實驗條件簡單、實驗可重復性強，但制備的目標產物缺陷多。相反，氣相沉積法制備的產物純度高、結晶性好，但成本高且對實驗條件、設備要求較高。因此，探索廉價、簡單、產物質量高的制備方法是科研工作者不懈努力和追求的方向，這樣，也為納米材料的應用提供堅實的保障。

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Research Progress in Preparation Methods of Nanometer ZnO

DANG Wei-wu
（College of Mechanics, Shaanxi Institute of Technology, Shaanxi Xi’an 710300，China）

ZnO is an excellent semiconductor material; its nanomaterials (such as nanowires, nanorods and so on) have been widely used in various fields because of its unique properties in optical, electronic, and magnetic and other aspects. Therefore, preparation methods of nanometer ZnO have been fully developed in recent years, and these preparation methods include solid phase method, liquid phase method and gas-phase method. In this paper, research progress in several usual methods in gas-phase method and liquid phase method was analyzed, advantages and existing problems of each method were discussed, and development trend of nanometer ZnO preparation technology was prospected.

ZnO; Preparation; Method

TQ132.4

A

1671-0460（2014）11-2415-03

2014-05-17

黨威武（1985-），男，陜西渭南人，助教，碩士，2011年畢業于陜西師范大學材料物理與化學專業，研究方向：從事納米材料制備與應用工作。E-mail：dww046@snnu.edn.cn。