ZnO纳米材料制备与的应用.docVIP

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，一直到使之变为透明。在进行涂覆前，衬底要进行清洁处理。首先用盐酸腐蚀，而后分别用丙酮和甲醇进行几分钟的超声清洗。采用提拉涂覆的方法，将衬底浸入溶胶中，以6em／min速度提，在衬底上形成涂层。在涂覆之后，首先在120qC温度下干燥20min，然后放入550~C的炉子内加热20min进行分解。如此的涂覆和热处理过程反复进行十次。形成的ZnO薄膜厚度大约有300nm。 1．4 金属有机化学气相沉积(MOCVD) B．P．Zhang采用金属有机化学气相沉积方法制备出了ZnO纳米管 J。氧气和二乙基锌[DEZn，Zn(C2H ) ]作为反应物，氮气作为DEZn的载流气体。为了避免两反应物之间提前进行反应，利用不锈钢喷嘴直接将DEZn导向衬底表面。利用涡轮分子泵对反应室排气，并采用真空阀控制反应室内气压。在室温下开始通氧，并将反应室气压控制在0．3—3Torr。然后衬底被加热到400~C并开始通入DEZn。ZnO便开始在衬底上生长。氧气流和氮气流分别控制在30seem和5sccm，而DEZn的温度保持在5~C。在整个反应过程中反应室内气压维持不变。生长时间连续一个小时。 1．5 脉冲激光沉积(pulsed laser deposition) A．B．Hartanto和Anirban Mitra分别采用KrF准分子激光器(波长248nm)，及Nd：YAG三倍频(波长355nm)激光器，利用脉冲激光沉积方法沉积出了ZnO纳米捧和ZnO纳米晶薄膜 。。 。A．B．Hartanto使用的激光脉冲重复频率为20Hz，脉冲能量密度为3J／CB 。ZnO靶的纯度为99．99％。衬底为蓝宝石。靶与衬底间距为20mm。沉积室内充以氧气作为环境气体，压强高于1 Toor。衬底温度在600℃以上，沉积30min。Anirban Mitra使用的Nd：YAG三倍频激光器的重复频率为lOHz。ZnO