ZnO纳米带的光学性能研究 - 图文

摘要：ZnO作为一种重要的宽带隙半导体材料，具有较好的光学性能。ZnO纳米带以其统一的几何尺寸，较少的线缺陷，作为特殊的纳米材料，展现了其独特的性质。本文综述了ZnO纳米带的制备方法，掺杂不同物质对其光学性能的影响，也对当前对ZnO纳米技术的研究与应用做了简要介绍，并对其今后的研究进行了相应的展望。

关键词：ZnO 纳米带 光学性质

Abstract：ZnO is an important wide band gap semiconductor material with special optical properties. ZnO nanobelts with its uniform geometry, less linear defects, as the special nanomaterial, demonstrated its unique character. This paper reviews the methods of synthesizing ZnO nanobelts, doped optical properties of different substances to their different effects, but also on the current of the ZnO nanotechnology research and application of a brief introduction, and the future prospects for research accordingly.

Key words：ZnO nanobelts optical properties

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1 引言

ZnO是典型的直接带隙宽禁带半导体材料，室温下的带隙宽度为3.37eV，具有较高的激子束缚能(～60meV)，保证其室温下紫外激光发射[1]。ZnO作为一种继GaN蓝光二极管诞生以来倍受瞩目的宽禁带直接带隙半导体，在紫外、蓝绿、黄红等波段都观察到光发射现象[2]。1990年，日本科学家Iijima发现了碳纳米管，这种一维的纳米结构显示出了优异的电学和机械性质[3]。通过对其不同纳米结构的研究，引发了人们对一维纳米结构的研究热潮。现在可通过气相法、水热法、溅射法[4]、共沉积法、热蒸发法[5]、喷雾热解法[6]等方法，能制备出ZnO纳米棒、纳米线、纳米管、纳米带等一维纳米结构[7]。ZnO纳米带自从2001年首次被合成以来，便引起了科学界广泛的关注，被称为继碳纳米管后的又一重大发现。对于准一维的ZnO纳米带，其结构与一维的纳米线不同，因此产生的量子效应也不同。为了进一步改善ZnO纳米材料的性能,我们通常采用第III、IV和V族元素等进行掺杂。本文综述了ZnO纳米带中参杂In、Sn等物质对光学性能的影响，ZnO纳米带的相关应用并对其前景进行展望。

2 ZnO纳米带的制备

ZnO纳米带作为一种研究和应用前景非常好的材料，其制备方法有很多，目前主要有气相法、水热法、磁控溅射法、热氧化法、喷雾热解法等方法。

2.1 气相法

2001年王中林教授研究小组首次通过热蒸发法制备出ZnO、SnO、In2O3和CdO纳米带[8]。在ZnO的制备过程中没有使用任何催化剂，把纯度99.9﹪的ZnO粉末放在Al2O3管中，再把A1203管放置在石英管炉子中

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进行加热。温度控制在1400℃，蒸发时间2h，在常压下通入氩气，氩气的气压为300Torr，流速为50cm3·min-1。将蒸发的产物沉积到放置在Al2O3管末端的Al2O3片上，呈白色羊毛状。他们通过SEM观察，发现产物中包含大量的线状纳米结构，长度从几十到几百微米。又通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱（EDS）分析证实产物为纤锌矿结构的ZnO。通过透射电子显微镜（TEM）图像显示了这种ZnO纳米结构呈带状，沿长度方向具有一致的宽度，其横截面呈矩形，宽度为10～30nm，宽厚比大约为5，如图1所示为ZnO纳米带的TEM图像。通过高分辨率电子显微镜（HRTEM）图像和电子衍射分析，发现ZnO纳米带具有均匀的单晶结构，纳米带表面非常干净，几乎没有缺陷和断层。他们等认为气-固生长模式（V-S）比较适合ZnO纳米带的生长，即在高温区域ZnO粉末蒸发形成气体，到低温区域后直接沉积到基底上长成了带状的结构。由于纳米带的规则几何形状和极少的缺陷以及ZnO的优良性质，王中林教授等预言ZnO纳米带是研究低维的输运现象和制作功能器件的理想材料。

图1 ZnO纳米带的TEM图片

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[8]

2002年Jun Zhang等人同样利用化学气相沉积的方法制备了ZnO纳米带[9]。实验方法和装置与王中林教授等人采用的相同，但不同的是，Jun Zhang等人利用ZnC12作为原料，通入的氩气中混合了氧气，使实验温度降到了700℃，得到的产物(ZnO纳米带)长度从几十到几百微米，有的甚至达到毫米量级，宽度从几十到几百纳米，宽厚比值为2～10。他们通过TEM和HRTEM观察发现，与王中林教授等的结果是一致的，ZnO纳米带表面也是均匀无缺陷。他们对ZnO纳米带作进一步研究，通过观察ZnO纳米带的光致发光谱（PL）和激发谱发现，ZnO具有很强的绿光发射[4]。

2005年，Huang等人以ZnCu2合金为Zn源，以0.1mm直径的ZnCu2合金丝为衬底，通过Zn蒸汽与水蒸气反应制备了不同形貌特征的ZnO纳米带

[10]

。反应温度为900℃，将N2经过水浴后导入管式炉。当N2流量

为150 cm3·min-1、水浴温度20℃时，沉积产物为纳米带；当N2流量为300 cm3·min-1、水浴温度30℃时，沉积产物为一侧带齿的纳米带。

2.2 水热法

相对于热蒸发和化学气相沉积等气相方法需要高温和昂贵的实验仪器，水热法就显得简单易行，它只需要相对低的温度和简单的实验条件。

奚伊等人采用水热法成功合成了ZnO纳米带，他们用14.87g的 Zn (NO3)2·6H2O，40g的NaOH及一些去离子水配制成100mL碱性溶液，而且注意，其中[Zn2+]=0.5mol·L-1，[OH-]=10.0 mol·L-1，它们的摩尔比为1∶20[11]。取锌的碱性溶液3ml，加入到0.0～5.0ml去离子水和25.0～30.0mL的无水乙醇的溶液中，再加入5.0～6.0mL的亚乙基二酰胺(简称乙二胺: EDA), 其中Zn2+与EDA的摩尔比为1∶50～1∶60，然后对溶

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液进行超声20～40min。将上面配制好的生长溶液转到Teflon（特富龙）中，然后放入温度为150℃的烤箱中加热20h之后取出，自然冷却至室温。用离心机离心分离5min，将上面的溶液倒出，然后用无水乙醇和去离子水对剩余的白色晶粒沉淀进行清洗，最后将其烤干收集，得到白色粉末，对其进行X射线衍射（XRD）测试，如图2所示为ZnO纳米带的XRD图像。同样，他们对产物又进行了SEM测试，如图3为ZnO纳米带的扫瞄式电子显微镜（SEM）图像。该ZnO纳米带长约为50μm，宽约为50～300nm。他们指出，生长ZnO纳米带时最关键的因素是温度，并给出了其生长示意图，如图4所示。

图2 ZnO纳米带的XRD谱图[11] 图3 ZnO纳米带的SEM图片[11]

ZnOH+

Zn(OH)2

ZnO

Zn(OH)3-

Zn(OH)42-

图4 ZnO纳米带生长示意图[11]

ZnO

2004年Zhang等人也通过水热法制备出了ZnO纳米带。他们在实验

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