Jump to content

Наноструктура оксида цинка

(Перенаправлено с наноструктур ZnO )

оксида цинка (ZnO) Наноструктуры представляют собой структуры по крайней мере с одним измерением в нанометровом масштабе, состоящие преимущественно из оксида цинка. Их можно комбинировать с другими композиционными веществами для изменения химического состава, структуры или функций наноструктур для использования в различных технологиях. Из ZnO можно синтезировать множество различных наноструктур с помощью относительно недорогих и простых процедур. [ 1 ] ZnO представляет собой полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны 3,3 эВ и имеет потенциал для широкого использования в наномасштабе. Наноструктуры ZnO нашли применение в экологических, технологических и биомедицинских целях, включая сверхбыстрые оптические функции, чувствительные к красителям солнечные элементы , литий-ионные батареи , биосенсоры , нанолазеры. [ 2 ] и суперконденсаторы . [ 3 ] Продолжаются исследования по синтезу более продуктивных и успешных наноструктур из ZnO и других композитов. [ 3 ] Наноструктуры ZnO — быстро развивающаяся область исследований: в 2014–2019 годах было опубликовано более 5000 статей. [ 4 ]

ZnO создает один из самых разнообразных наборов наноструктур, и существует большое количество исследований различных путей синтеза различных наноструктур ZnO. [ 1 ] Наиболее распространенным методом синтеза структур ZnO является использование химического осаждения из паровой фазы (CVD), которое лучше всего использовать для формирования нанопроволок, а также гребенчатых или древовидных структур. [ 1 ]

Методы синтеза наноструктур ZnO с изображением (а) метода пар-твердое тело (б) метода пар-жидкость-твердое тело (в) электроосаждения (г) водного раствора

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)

[ редактировать ]

В процессах осаждения из паровой фазы цинк и кислород передаются в газообразной форме и реагируют друг с другом, создавая наноструктуры ZnO. В реакции также могут участвовать другие молекулы пара или твердые и жидкие катализаторы, которые влияют на свойства получаемой наноструктуры. Чтобы напрямую создать наноструктуры ZnO, можно разложить оксид цинка при высоких температурах, где он распадается на ионы цинка и кислорода, а при охлаждении образует различные наноструктуры, включая сложные структуры, такие как наноремни и нанокольца. [ 5 ] Альтернативно, порошок цинка можно транспортировать через пары кислорода, которые вступают в реакцию с образованием наноструктур. Другие пары, такие как закись азота или оксиды углерода, можно использовать отдельно или в сочетании. Эти методы известны как паро-твердые процессы (VS) из-за их состояний реагентов. Процессы VS могут создавать различные наноструктуры ZnO, но их морфология и свойства сильно зависят от реагентов и условий реакции, таких как температура и парциальное давление паров. [ 1 ]

В процессах осаждения из паровой фазы также могут использоваться катализаторы, способствующие росту наноструктур. Они известны как процессы пар-жидкость-твердое тело ( VLS ) и используют фазу каталитического жидкого сплава в качестве дополнительного этапа синтеза наноструктур для ускорения роста. [ 6 ] Жидкий сплав, включающий цинк, прикрепляется к зародышам, состоящим обычно из золота или кремнезема. Сплав поглощает пары кислорода и насыщает их, способствуя химической реакции между цинком и кислородом. Наноструктура развивается по мере того, как ZnO затвердевает и растет наружу от золотого семени. Эту реакцию можно строго контролировать для создания более сложных наноструктур путем изменения размера и расположения золотых затравок, а также сплавов и паровых компонентов. [ 1 ]

Рост водного раствора

[ редактировать ]

Большое разнообразие наноструктур ZnO также можно синтезировать методом выращивания в водном растворе, что желательно из-за его простоты и низкой температуры обработки. [ 7 ] Затравочный слой ZnO используется для начала равномерного роста и обеспечения нанопроволок ориентации . Раствор катализаторов и молекулы, содержащие цинк и кислород, вступают в реакцию, и из затравочного слоя вырастают наноструктуры. Пример такой реакции включает гидролиз ZnO(NO 3 ) 2 (нитрата цинка) и разложение гексаметилтетрамина (ГМТ) с образованием ZnO. [ 1 ] Изменение ростового раствора, его концентрации, температуры и структуры затравочного слоя может изменить морфологию синтезируемых наноструктур. [ 8 ] [ 1 ] Наностержни , выровненные массивы нанопроволок, цветообразные и дискообразные нанонити и массивы нанолент, а также другие наноструктуры — все это можно создавать в водных растворах путем изменения раствора для выращивания. [ 7 ]

Электроосаждение

[ редактировать ]

Другим методом синтеза наноструктур ZnO является электроосаждение , при котором используется электрический ток для облегчения химических реакций и осаждения на электроды. Низкая температура и способность создавать структуры точной толщины делают этот метод экономически эффективным и экологически чистым. [ 9 ] структурированные наностолбчатые кристаллы, пористые пленки, тонкие пленки Таким способом были синтезированы и ориентированные проволоки. Качество и размер этих структур зависят от подложек, плотности тока, времени осаждения и температуры. [ 10 ] [ 11 ] [ 9 ] Энергия запрещенной зоны также зависит от этих параметров, поскольку она зависит не только от материала, но и от его размера из-за наномасштабного воздействия на зонную структуру. [ 1 ]

Дефекты и допинг

[ редактировать ]

ZnO имеет богатый химический состав дефектов и легирующих добавок , которые могут существенно изменить свойства и поведение материала. [ 1 ] Легирование наноструктур ZnO другими элементами и молекулами приводит к разнообразию характеристик материала, поскольку добавление или вакансия атомов изменяет энергетические уровни в запрещенной зоне. [ 12 ] Собственные дефекты, возникающие из-за вакансий кислорода и цинка или междоузельных элементов цинка, создают его полупроводниковые свойства n-типа, но поведение до конца не изучено. [ 13 ] Было обнаружено, что носители, созданные с помощью допинга, демонстрируют сильное доминирование над природными дефектами. [ 1 ] Наноструктуры содержат небольшие масштабы длины, что приводит к большому отношению поверхности к объему. Таким образом, поверхностные дефекты были основным направлением исследований дефектов наноструктур ZnO. Также происходят выбросы глубокого уровня, влияющие на характеристики материалов. [ 4 ]

ZnO может занимать несколько типов решеток, но часто встречается в гексагональной структуре вюрцита . В этой решетке все октаэдрические позиции пусты, следовательно, есть место для собственных дефектов, междоузлий Zn, а также внешних примесей, которые могут занять пробелы в решетке. [ 1 ] даже когда решетка находится на наноуровне. Междоузлия Zn возникают, когда дополнительные атомы цинка располагаются внутри кристаллической решетки ZnO. Они встречаются в природе, но их концентрацию можно увеличить, используя условия синтеза, богатые парами Zn. Кислородные вакансии — это распространенные дефекты в оксидах металлов, когда атом кислорода не входит в кристаллическую структуру. [ 14 ] Как кислородные вакансии, так и междоузлия Zn увеличивают количество электронных носителей заряда, превращая таким образом полупроводник n-типа . Поскольку эти дефекты возникают естественным образом как побочный продукт процесса синтеза, создать наноструктуры ZnO p-типа сложно. [ 15 ]

Дефекты и легирующие примеси обычно вводятся в процессе синтеза наноструктуры ZnO либо путем контроля их образования, либо случайно получаются в процессе выращивания в результате загрязнения. Поскольку контролировать эти процессы сложно, дефекты возникают естественным путем. Легирующие добавки могут диффундировать в наноструктуру во время синтеза. Альтернативно, наноструктуры можно обрабатывать после синтеза, например, путем плазменной инъекции или воздействия газов. Нежелательными примесями и дефектами также можно манипулировать, удаляя или пассивируя их. Грубо говоря, область наноструктуры можно полностью удалить, например, отрезав поверхностный слой нанопроволоки. Кислородные вакансии можно заполнить с помощью плазменной обработки, при которой кислородсодержащая плазма вводит кислород обратно в решетку. При температурах, когда решетка подвижна, молекулы кислорода и зазоры могут перемещаться с помощью электрических полей, изменяя природу материала. [ 4 ]

Дефекты и легирующие примеси используются в большинстве приложений наноструктур ZnO. Действительно, дефекты в ZnO обеспечивают различные свойства полупроводника с различной шириной запрещенной зоны. Комбинируя ZnO с легирующими добавками, можно достичь разнообразных электрических характеристик и характеристик материала. Например, оптические свойства ZnO могут меняться из-за дефектов и добавок. [ 16 ] Ферромагнитные свойства могут быть приданы наноструктурам ZnO путем легирования элементами переходных металлов. Это создает магнитные полупроводники , которые являются предметом внимания спинтроники . [ 12 ]

Приложение

[ редактировать ]

Наноструктуры ZnO можно использовать для множества различных применений. Вот несколько примеров.

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы

[ редактировать ]

Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем (DSSC), представляют собой тип тонкопленочных солнечных элементов, в которых для поглощения солнечного света используется жидкий краситель. В настоящее время TiO 2 ( диоксид титана ) в основном используется в DSSC в качестве фотоанодного материала. Однако ZnO ​​оказался хорошим кандидатом в качестве фотоанодного материала в DSSC. [ 1 ] [ 3 ] Это связано с тем, что синтезом наноструктур легко управлять. [ 1 ] он имеет более высокие свойства переноса электронов, [ 3 ] и в качестве переносчика дырок можно использовать органический материал, в отличие от случая, когда TiO 2 является материалом фотоанода. [ 1 ] Исследователи обнаружили, что структура наноструктуры ZnO влияет на производительность солнечных элементов. [ 17 ] У использования наноструктур ZnO есть и недостатки, такие как так называемая утечка напряжения, которая требует дальнейшего изучения. [ 3 ]

Батареи и суперконденсаторы

[ редактировать ]

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) в настоящее время являются наиболее распространенным источником питания, поскольку они производят высокую мощность и имеют высокую плотность энергии. Использование оксидов металлов в качестве анодов в значительной степени улучшило ограничения батарей, а ZnO особенно рассматривается как многообещающий потенциальный анод. Это связано с его низкой токсичностью и стоимостью, а также высокой теоретической емкостью (978 мАч −1 ).

ZnO испытывает объемное расширение во время процессов, что приводит к потере электрического разъединения и снижению емкости. Решением может быть легирование различными материалами и разработка наномасштабов с наноструктурами, такими как пористые поверхности, которые позволяют изменять объем во время химического процесса. Альтернативно, литиевые компоненты хранения могут быть смешаны с наноструктурами ZnO для создания более стабильной емкости. Успешными были исследования по синтезу таких композитных наноструктур ZnO с оксидами углерода, графита и других металлов. [ 3 ]

Еще одним широко используемым устройством хранения энергии являются суперконденсаторы (СК). СЭ в основном используются в электромобилях и в качестве систем резервного электропитания. Они известны своей экологичностью и могут заменить используемые в настоящее время накопители энергии. Это связано с его более высокой стабильностью, удельной мощностью и общей производительностью. Из-за своей замечательной плотности энергии 650 Агг −1 и электропроводностью 230См. −1 ZnO признан потенциальным электродным материалом. Тем не менее, он имеет плохую электропроводность, поскольку его небольшая площадь поверхности ограничивает его емкость. Как и в случае с батареями, многочисленные комбинации углеродных структур, графена, оксидов металлов с наноструктурами ZnO улучшают емкость этих материалов. Композит на основе ZnO не только имеет лучшую удельную мощность и плотность энергии, но также более экономичен и экологичен. [ 3 ]

Биосенсоры и биомедицина

[ редактировать ]

Уже обнаружено, что наноструктуры ZnO способны связывать биологические вещества. Недавние исследования показывают, что из-за этой особенности и из-за своей поверхностной селективности ZnO является хорошим кандидатом на роль биосенсора. Он может естественным образом образовывать анизотропные наноструктуры, которые используются для доставки лекарств. Биосенсоры на основе ZnO также могут помочь в диагностике ранних стадий рака. [ 3 ] Продолжаются исследования, чтобы выяснить, можно ли использовать наноструктуры ZnO для биовизуализации. Пока что он был протестирован только на мышах и показал положительные результаты. [ 3 ] Кроме того, наноматериалы ZnO уже используются в косметических продуктах, таких как кремы для лица и солнцезащитный крем. [ 18 ]

Однако пока неясно, какое влияние оказывают наноструктуры ZnO на клетки человека и окружающую среду. Поскольку использованные биосенсоры ZnO в конечном итоге растворяются и выделяют ионы Zn, они могут поглощаться клетками, и местный эффект этого пока неизвестен. Наноматериалы в косметике со временем смываются и попадают в окружающую среду. Из-за этих неизвестных рисков необходимо провести гораздо больше исследований, прежде чем ZnO можно будет безопасно применять в биомедицинской области. [ 18 ]

  1. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н Шмидт-Менде, Лукас; Макманус-Дрисколл, Джудит Л. (1 мая 2007 г.). «ZnO – наноструктуры, дефекты и устройства» . Материалы сегодня . 10 (5): 40–48. дои : 10.1016/S1369-7021(07)70078-0 . ISSN   1369-7021 .
  2. ^ Торрес-Торрес, Дж.; Трехо-Вальдес, М.; Собрал, Х.; Сантьяго-Хасинто, П.; Рейес-Эскеда, JA (6 августа 2009 г.). «Вынужденная эмиссия и оптическая нелинейность третьего порядка в наностержнях ZnO, легированных литием». Журнал физической химии C. 113 (31): 13515–13521. дои : 10.1021/jp809582t . ISSN   1932-7447 .
  3. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Тертагири, Дж; Салла, Сунита; Сентил, РА; Нитьядхарсени, П; Маданкумар, А; Аруначалам, Прабхакарн; Майялаган, Т; Ким, Хён Сок (11 июля 2019 г.). «Обзор наноструктурных материалов ZnO: энергетические, экологические и биологические применения». Нанотехнологии . 30 (39): 392001. Бибкод : 2019Nanot..30M2001T . дои : 10.1088/1361-6528/ab268a . ISSN   0957-4484 . ПМИД   31158832 . S2CID   174805462 .
  4. ^ Jump up to: а б с Бриллсон, Леонард; Кокс, Джонатан; Гао, Ханьтянь; Фостер, Джеффри; Руан, Уильям; Жарджур, Александр; Аллен, Мартин; Смотри, Дэвид; фон Венкстерн, Хольгер; Грундманн, Мариус (2019). «Измерение и манипулирование собственными точечными дефектами в наноструктурах ZnO» . Материалы . 12 (14): 2242. Бибкод : 2019Mate...12.2242B . дои : 10.3390/ma12142242 . ПМК   6678356 . ПМИД   31336831 .
  5. ^ Конг, Сян Ян; Ван, Чжун Линь (2003). «Спонтанные поляризационно-индуцированные наноспирали, наноспружины и нанокольца пьезоэлектрических наноремней». Нано-буквы . 3 (12): 1625–1631. Бибкод : 2003NanoL...3.1625K . дои : 10.1021/nl034463p . ISSN   1530-6984 .
  6. ^ Ву, Ж.-Ж.; Лю, С.-К. (2002). «Низкотемпературный рост хорошо ориентированных наностержней ZnO методом химического осаждения из паровой фазы». Продвинутые материалы . 14 (3): 215–218. doi : 10.1002/1521-4095(20020205)14:3<215::AID-ADMA215>3.0.CO;2-J . ISSN   1521-4095 .
  7. ^ Jump up to: а б Павар, Колорадо; Шейх, Дж.С.; Бабар, А.А.; Дере, ПМ; Патил, PS (01 мая 2011 г.). «Водный химический рост дисков, стержней, веретен и цветков ZnO: зависимость от pH и фотоэлектрохимические свойства». Солнечная энергия . 85 (5): 1119–1127. Бибкод : 2011SoEn...85.1119P . doi : 10.1016/j.solener.2011.03.008 . ISSN   0038-092X .
  8. ^ Амируддин Р.; Кумар, MC Сантош (1 ноября 2014 г.). «Усиленное видимое излучение вертикально ориентированных наноструктур ZnO в результате процесса химического выращивания в воде». Журнал люминесценции . 155 : 149–155. Бибкод : 2014JLum..155..149A . дои : 10.1016/j.jlumin.2014.06.038 . ISSN   0022-2313 .
  9. ^ Jump up to: а б Сюй, Лифэн; Го, И; Ляо, Цин; Чжан, Цзяньпин; Сюй, Дуншэн (1 июля 2005 г.). «Морфологический контроль наноструктур ZnO методом электроосаждения». Журнал физической химии Б. 109 (28): 13519–13522. дои : 10.1021/jp051007b . ISSN   1520-6106 . ПМИД   16852691 .
  10. ^ Сунь, Цзяо, Шуцзе; Ван, Дунбо; Ли, Цзиньчжун; Го, Чжао, Ляньчэн (15 ноября 2012 г.). и механизм роста наноструктур ZnO путем электроосаждения из ванн с водным нитратом цинка». Journal of Crystal Growth . 359 : 15–19. Бибкод : 2012JCrGr.359...15S doi : 10.1016 / j.jcrysgro.2012.08.016 ISSN   0022-0248 .
  11. ^ Круикшанк, Эми К.; Тэй, Стивен Э.Р.; Или, Бенуа Н.; Да Кампо, Рафаэлло; Шуман, Стефан; Джонс, Тим С.; Хойц, Сандрин; Маклахлан, Мартин А.; МакКомб, Дэвид В.; Райли, Д. Джейсон; Райан, Мэри П. (13 сентября 2011 г.). «Электроосаждение наноструктур ZnO на тонкие молекулярные пленки». Химия материалов . 23 (17): 3863–3870. дои : 10.1021/cm200764h . ISSN   0897-4756 .
  12. ^ Jump up to: а б Куи, Ж.Б.; Томас, Массачусетс; Кандел, Х.; Су, ЮК; Чен, Т.П. (1 февраля 2009 г.). «Низкотемпературное легирование наноструктур ZnO». Наука в Китае. Серия E: Технологические науки . 52 (2): 318–323. Бибкод : 2009ScChE..52..318C . дои : 10.1007/s11431-008-0353-9 . ISSN   1862-281X . S2CID   96692133 .
  13. ^ Мхлонго, Гугу Х.; Мотаунг, Дэвид Э.; Нкоси, Стивен С.; Сварт, ХК; Мальгас, Джеральд Ф.; Хилли, Кеннет Т.; Мвакикунга, Бонекс В. (28 февраля 2014 г.). «Температурная зависимость структурных, оптических и парамагнитных свойств наноструктур ZnO». Прикладная наука о поверхности . 293 : 62–70. Бибкод : 2014АпсС..293...62М . дои : 10.1016/j.apsusc.2013.12.076 . ISSN   0169-4332 .
  14. ^ Люнг, Ю.Х.; Чен, XY; Нг, АМК; Го, МОЙ; Лю, ФЗ; Джуришич, АБ; Чан, ВК; Ши, XQ; Ван Хов, Массачусетс (15 апреля 2013 г.). «Зеленая эмиссия в наноструктурах ZnO. Исследование роли вакансий кислорода и цинка». Прикладная наука о поверхности . 271 : 202–209. Бибкод : 2013ApSS..271..202L . дои : 10.1016/j.apsusc.2013.01.160 . ISSN   0169-4332 .
  15. ^ ИП, К.; Талер, GT; Ян, Хёксу; Юн Хан, Санг; Ли, Юаньцзе; Нортон, ДП; Пиртон, С.Дж.; Чан, Сухан; Рен, Ф. (18 января 2006 г.). «Контакты с ZnO». Журнал роста кристаллов . Материалы Международной конференции по материалам для передовых технологий (ICMAT 2005), симпозиум № 287 (1): 149–156. Бибкод : 2006JCrGr.287..149I . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2005.10.059 . ISSN   0022-0248 .
  16. ^ Джуришич, АБ; Люнг, Ю.Х.; Тэм, К.Х.; Сюй, Ю.Ф.; Дин, Л.; Ге, ВК; Чжун, ЮК; Вонг, Канзас; Чан, ВК; Тэм, Х.Л.; Чеа, К.В. (2007). «Выбросы дефектов в наноструктурах ZnO». Нанотехнологии . 18 (9): 095702. Бибкод : 2007Nanot..18i5702D . дои : 10.1088/0957-4484/18/9/095702 . ISSN   0957-4484 . S2CID   95865197 .
  17. ^ Равираджан, Пунниамурти; Пейро, Ана М.; Назируддин, Мохаммад К.; Грецель, Майкл; Брэдли, Донал, округ Колумбия; Даррант, Джеймс Р.; Нельсон, Дженни (1 апреля 2006 г.). «Гибридные фотоэлектрические устройства на основе полимера и оксида цинка с вертикально ориентированными наностержнями ZnO и амфифильным молекулярным интерфейсным слоем». Журнал физической химии Б. 110 (15): 7635–7639. дои : 10.1021/jp0571372 . ISSN   1520-6106 . ПМИД   16610853 .
  18. ^ Jump up to: а б Джуришич, Александра Б.; Чен, Синьи; Люн, Ю Ханг; Нг, Алан Ман Чинг (13 марта 2012 г.). «Наноструктуры ZnO: рост, свойства и применение». Журнал химии материалов . 22 (14): 6526–6535. дои : 10.1039/C2JM15548F . ISSN   1364-5501 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e835ab4ac90bea35ab762ee985532d7f__1723049160
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e8/7f/e835ab4ac90bea35ab762ee985532d7f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Zinc oxide nanostructure - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)