Наноструктура оксида цинка
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 ]
Синтез
[ редактировать ]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 ]

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 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .