Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Наноструктуры оксида цинка (ZnO) представляют собой структуры по крайней мере с одним размером в нанометровом масштабе, состоящие преимущественно из оксида цинка. Их можно комбинировать с другими композитными веществами для изменения химического состава, структуры или функции наноструктур, чтобы их можно было использовать в различных технологиях. Многие различные наноструктуры могут быть синтезированы из ZnO с использованием относительно недорогих и простых процедур. [1] ZnO представляет собой полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной, равной 3,3 эВ, и имеет потенциал для широкого использования в наномасштабе. Наноструктуры ZnO нашли применение в экологических, технологических и биомедицинских целях, включая сенсибилизированные красителем солнечные элементы ,литий-ионные аккумуляторы , биосенсоры , нанолазеры [2] и суперконденсаторы . [3] Продолжаются исследования по синтезу более продуктивных и успешных наноструктур из ZnO и других композитов. [3] Наноструктуры ZnO - это быстро развивающаяся область исследований, в течение 2014-2019 гг. Было опубликовано более 5000 статей. [4]

Синтез [ править ]

ZnO создает одну из самых разнообразных наноструктур, и существует большое количество исследований по различным способам синтеза различных наноструктур ZnO. [1] Наиболее распространенными методами синтеза структур ZnO является химическое осаждение из газовой фазы (CVD), которое лучше всего использовать для формирования нанопроволок и гребенчатых или древовидных структур. [1]

Методы синтеза наноструктур ZnO, изображающие (а) Метод пар-твердое тело (б) Метод пар-жидкость-твердое тело (в) Электроосаждение (г) Водный раствор

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) [ править ]

В процессах осаждения из паровой фазы цинк и кислород переносятся в газообразной форме и реагируют друг с другом, создавая наноструктуры ZnO. Другие молекулы пара или твердые и жидкие катализаторы также могут быть вовлечены в реакцию, что влияет на свойства полученной наноструктуры. Чтобы напрямую создать наноструктуры ZnO, можно разложить оксид цинка при высоких температурах, где он расщепляется на ионы цинка и кислорода, а при охлаждении образует различные наноструктуры, включая сложные структуры, такие как наноленты и нанокольца. [5]В качестве альтернативы цинковый порошок можно транспортировать через пары кислорода, которые вступают в реакцию с образованием наноструктур. Другие пары, такие как закись азота или оксиды углерода, могут использоваться сами по себе или в комбинации. Эти методы известны как процессы пар-твердое тело (VS) из-за состояния их 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 пара. [1]

В процессах осаждения из паровой фазы также могут использоваться катализаторы, способствующие росту наноструктур. Они известны как процессы пар-жидкость-твердое тело ( VLS ), и в них используется каталитическая фаза жидкого сплава в качестве дополнительной стадии синтеза наноструктур для ускорения роста. [6] Жидкий сплав, который включает цинк, прикреплен к зародышевым затравкам, сделанным обычно из золота или кремнезема. Сплав поглощает пары кислорода и насыщается, облегчая химическую реакцию между цинком и кислородом. Наноструктура развивается по мере того, как ZnO затвердевает и вырастает из золотого зерна. Эту реакцию можно строго контролировать для получения более сложных наноструктур, изменяя размер и расположение затравок золота, а также сплавов и парообразных компонентов. [1]

Рост водного раствора [ править ]

Большое разнообразие наноструктур ZnO также можно синтезировать путем 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 ориентации нанопроволок . Раствор катализаторов и молекул, содержащих цинк и кислород, вступает в реакцию, и наноструктуры вырастают из зародышевого слоя. Пример такой реакции включает гидролиз ZnO (NO 3 ) 2 (нитрат цинка) и разложение гексаметилтетрамина (HMT) с образованием ZnO. [1] Изменение ростового раствора и его концентрации, температуры и структуры затравочного слоя может изменить морфологию синтезированных наноструктур. [8] [1] Наностержни , выровненные массивы нанопроволок, похожие на цветы и диски нанопроволоки и массивы нанолент, наряду с другими наноструктурами, могут быть созданы в водных растворах путем изменения раствора для выращивания. [7]

Электроосаждение [ править ]

Другой метод синтеза наноструктур ZnO - это электроосаждение , при котором для облегчения химических реакций и осаждения на электроды используется электрический ток. Его низкая температура и способность создавать структуры точной толщины делают его экономичным и экологически чистым методом. [9] Таким способом были синтезированы структурированные наностолбчатые кристаллы, пористые пленки, тонкие пленки и ориентированные проволоки. Качество и размер этих структур зависит от подложки, 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 наноразмерного влияния на зонную структуру.[1]

Дефекты и допинг [ править ]

ZnO имеет богатый химический состав дефектов и примесей, которые могут значительно изменить свойства и поведение материала. [1] Легирование наноструктур ZnO другими элементами и молекулами приводит к различным характеристикам материала, поскольку добавление или вакансия атомов изменяет уровни энергии в запрещенной зоне. [12] Собственные дефекты из-за вакансий кислорода и цинка или межузельных атомов цинка создают его полупроводниковые свойства n-типа, но их поведение до конца не изучено. [13] Носители, созданные легированием, показали сильное преобладание над собственными 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 на глубоком уровне, влияющие на характеристики материала. [4]

ZnO может занимать несколько типов решеток, но часто встречается в гексагональной структуре вюрцита . В этой решетке все октаэдрические узлы пусты, следовательно, есть место для собственных дефектов, межузельных атомов Zn, а также внешних примесей, которые занимают зазоры в решетке [1], даже если решетка находится на наноуровне. Межузельные частицы Zn возникают, когда дополнительные атомы цинка находятся внутри кристаллической решетки ZnO. Они встречаются в природе, но их концентрация может быть увеличена при использовании условий синтеза с высоким содержанием паров цинка. Кислородные вакансии являются обычным дефектом в оксидах металлов, где атом кислорода отсутствует в кристаллической структуре. [14] Как кислородные вакансии, так и межузельные атомы Zn увеличивают количество электронных носителей заряда, становясь, таким образом, n-типом.полупроводник. Поскольку эти дефекты возникают естественным образом как побочный продукт процесса синтеза, создавать наноструктуры ZnO p-типа сложно. [15]

Дефекты и легирующие примеси обычно вводятся во время синтеза наноструктуры ZnO либо путем контроля их образования, либо случайно получаются в процессе выращивания из-за загрязнения. Поскольку контролировать эти процессы сложно, дефекты возникают естественным образом. Допанты могут диффундировать в наноструктуру во время синтеза. В качестве альтернативы наноструктуры можно обрабатывать после синтеза, например, путем инжекции плазмы или воздействия газов. Нежелательными присадками и дефектами также можно управлять, удаляя или пассивируя их. Грубо говоря, область наноструктуры может быть полностью удалена, например, срезан поверхностный слой нанопроволоки. Кислородные вакансии можно заполнить с помощью плазменной обработки, когда кислородсодержащая плазма возвращает кислород в решетку. При температурах, когда решетка подвижна,[4]

Дефекты и легирующие примеси используются в большинстве применений наноструктур ZnO. Действительно, дефекты в ZnO обеспечивают различные свойства полупроводника с различной шириной запрещенной зоны. Комбинируя ZnO с легирующими добавками, можно достичь различных электрических характеристик и характеристик материала. Например, оптические свойства ZnO могут изменяться из-за дефектов и примесей. [16] Ферромагнитные свойства могут быть приданы наноструктурам ZnO путем легирования элементами переходных металлов. Это создает магнитные полупроводники , что является фокусом спинтроники . [12]

Заявление [ править ]

Наноструктуры ZnO могут использоваться для множества различных приложений. Вот несколько примеров.

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы [ править ]

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC) представляют собой тип тонкопленочных солнечных элементов, в которых используется жидкий краситель для поглощения солнечного света. В настоящее время TiO 2 ( диоксид титана ) в основном используется для DSSC в качестве материала фотоанода . Однако обнаружено, что ZnO ​​является хорошим кандидатом в качестве материала фотоанода в DSSC. [1] [3] Это связано с тем, что синтез наноструктур легко контролировать, [1] он имеет более высокие свойства переноса электронов, [3] и можно использовать органический материал в качестве переносчика дырок, в отличие от того, когда TiO 2 является материалом фотоанода. . [1] Исследователи обнаружили, что структура наноструктуры ZnO влияет на характеристики солнечного элемента.[17] Существуют также недостатки использования наноструктур ZnO, такие как так называемая утечка напряжения, которая требует дополнительных исследований. [3]

Батареи и суперконденсаторы [ править ]

Перезаряжаемые литий-ионные батареи (LIB) в настоящее время являются наиболее распространенным источником энергии, поскольку они производят большую мощность и имеют высокую плотность энергии. Использование оксидов металлов в качестве анодов в значительной степени уменьшило ограничения батарей, и ZnO особенно рассматривается как перспективный потенциальный анод. Это связано с его низкой токсичностью и стоимостью, а также с его высокой теоретической емкостью (978 мАч г -1 ).

ZnO расширяется в объеме во время процессов, что приводит к потере электрического отключения и снижению емкости. Решением может быть легирование различными материалами и развитие наноструктур, таких как пористые поверхности, которые позволяют изменять объем во время химического процесса. В качестве альтернативы компоненты-накопители лития могут быть смешаны с наноструктурами ZnO для создания более стабильной емкости. Были успешно проведены исследования по синтезу таких композитных наноструктур ZnO с оксидами углерода, графита и других металлов. [3]

Еще одним широко используемым устройством хранения энергии являются суперконденсаторы (SC). SC в основном используются в электромобилях и в качестве систем резервного питания. Они известны своей безвредностью для окружающей среды и могут заменить используемые в настоящее время накопители энергии. Это связано с его более высокой стабильностью, удельной мощностью и более высокой производительностью. Из-за его замечательной плотности энергии 650Aħg −1 и электропроводности 230Scm −1.ZnO признан электродным материалом с большим потенциалом. Тем не менее, он имеет плохую электропроводность, так как его небольшая площадь поверхности ограничивает емкость. Как и в случае с батареями, несколько комбинаций углеродных структур, графена, оксидов металлов с наноструктурами ZnO улучшили емкость этих материалов. Композит на основе ZnO имеет не только лучшую удельную мощность и удельную энергию, но также более экономичен и экологичен. [3]

Биосенсоры и биомедицины [ править ]

Уже обнаружено, что наноструктуры ZnO способны связывать биологические вещества. Недавние исследования показывают, что из-за этой особенности и из-за своей поверхностной избирательности 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] В настоящее время проводятся исследования, чтобы выяснить, можно ли использовать наноструктуры ZnO для биоимиджинга. 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 солнцезащитные кремы [18]

Однако пока не ясно, какое влияние наноструктуры ZnO оказывают на клетки человека и окружающую среду. Поскольку использованные биосенсоры ZnO в конечном итоге растворяют и высвобождают ионы Zn, они могут поглощаться клетками, и местный эффект этого еще не известен. Наноматериалы в косметике со временем вымываются и попадают в окружающую среду. Из-за этих неизвестных рисков необходимо провести гораздо больше исследований, прежде чем ZnO можно будет безопасно применять в биомедицине. [18]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч я J к л м н Шмидт-Менде, Лукас; Макманус-Дрисколл, Джудит Л. (01.05.2007). «ZnO - наноструктуры, дефекты и устройства» . Материалы сегодня . 10 (5): 40–48. DOI : 10.1016 / S1369-7021 (07) 70078-0 . ISSN  1369-7021 .
  2. ^ Торрес-Торрес, C .; Trejo-Valdez, M .; Sobral, H .; Сантьяго-Хасинто, П .; Рейес-Эскеда, Дж. А (6 августа 2009 г.). «Вынужденное излучение и оптическая нелинейность третьего порядка в наностержнях ZnO, легированных литием». Журнал физической химии C . 113 (31): 13515–13521. DOI : 10.1021 / jp809582t . ISSN 1932-7447 . 
  3. ^ Б с д е е г ч я Theerthagiri, J; Салла, Сунита; Senthil, RA; Nithyadharseni, P; Маданкумар, А; Аруначалам, Прабхакарн; Майялаган, Т; Ким, Хён Сок (2019-07-11). «Обзор наноструктурированных материалов ZnO: энергетические, экологические и биологические приложения». Нанотехнологии . 30 (39): 392001. Bibcode : 2019Nanot..30M2001T . DOI : 10,1088 / 1361-6528 / ab268a . ISSN 0957-4484 . PMID 31158832 .  
  4. ^ a b c Брилсон, Леонард; Кокс, Джонатан; Гао, Ханьтянь; Фостер, Джеффри; Руан, Уильям; Джарджур, Александр; Аллен, Мартин; Посмотри, Дэвид; фон Венкстерн, Хольгер; Грундманн, Мариус (2019). «Измерение собственных точечных дефектов и манипуляции с ними в наноструктурах ZnO» . Материалы . 12 (14): 2242. Bibcode : 2019Mate ... 12.2242B . DOI : 10,3390 / ma12142242 . PMID 31336831 . 
  5. ^ Конг, Сян Ян; Ван, Чжун Линь (2003). «Спонтанная поляризация-индуцированные наноспирали, нанопружины и нанокольца пьезоэлектрических нанопоясов». Нано-буквы . 3 (12): 1625–1631. Bibcode : 2003NanoL ... 3.1625K . DOI : 10.1021 / nl034463p . ISSN 1530-6984 . 
  6. ^ Wu, J.-J .; Лю, С.-К. (2002). «Низкотемпературный рост хорошо ориентированных наностержней ZnO путем химического осаждения из паровой фазы». Современные материалы . 14 (3): 215–218. DOI : 10.1002 / 1521-4095 (20020205) 14: 3 <215 :: АИД-ADMA215> 3.0.CO; 2-J . ISSN 1521-4095 . 
  7. ^ a b Pawar, RC; Shaikh, JS; Бабар А.А.; Дере, PM; Патил П.С. (01.05.2011). «Водный химический рост ZnO дисков, стержней, веретен и цветков: зависимость pH и фотоэлектрохимические свойства». Солнечная энергия . 85 (5): 1119–1127. Bibcode : 2011SoEn ... 85.1119P . DOI : 10.1016 / j.solener.2011.03.008 . ISSN 0038-092X . 
  8. ^ Amiruddin, R .; Кумар, MC Santhosh (2014-11-01). «Повышенное видимое излучение от вертикально ориентированных наноструктур ZnO путем химического роста в воде». Журнал люминесценции . 155 : 149–155. Bibcode : 2014JLum..155..149A . DOI : 10.1016 / j.jlumin.2014.06.038 . ISSN 0022-2313 . 
  9. ^ а б Сюй, Лифен; Го, Йи; Ляо, Цин; Чжан, Цзяньпин; Сюй, Дуншэн (01.07.2005). «Морфологический контроль наноструктур ZnO методом электроосаждения». Журнал физической химии B . 109 (28): 13519–13522. DOI : 10.1021 / jp051007b . ISSN 1520-6106 . PMID 16852691 .  
  10. ^ ВС, Sujuan; Цзяо, Шуцзе; Чжан, Кэджун; Ван, Дунбо; Гао, Шиюн; Ли, Хунтао; Ван, Цзиньчжун; Юй Цинцзян; Го, Фэнъюнь; Чжао, Ляньчэн (15.11.2012). «Эффект зародышеобразования и механизм роста наноструктур ZnO путем электроосаждения из водных ванн нитрата цинка». Журнал роста кристаллов . 359 : 15–19. Bibcode : 2012JCrGr.359 ... 15S . DOI : 10.1016 / j.jcrysgro.2012.08.016 . ISSN 0022-0248 . 
  11. ^ Cruickshank, Эми С.; Тай, Стивен ER; Illy, Benoit N .; Да Кампо, Рафаэлло; Шуман, Стефан; Джонс, Тим С .; Хойц, Сандрин; McLachlan, Martyn A .; Маккомб, Дэвид В .; Райли, Д. Джейсон; Райан, Мэри П. (13 сентября 2011 г.). «Электроосаждение наноструктур ZnO на молекулярные тонкие пленки». Химия материалов . 23 (17): 3863–3870. DOI : 10.1021 / cm200764h . ISSN 0897-4756 . 
  12. ^ а б Цуй, JB; Томас, Массачусетс; Kandel, H .; Су, YC; Чен, Т.П. (01.02.2009). «Низкотемпературное легирование наноструктур ZnO». Наука в Китае. Серия E: Технологические науки . 52 (2): 318–323. DOI : 10.1007 / s11431-008-0353-9 . ISSN 1862-281X . 
  13. ^ Мхлонго, Гугу Х .; Мотаунг, Дэвид Э .; Nkosi, Steven S .; Сварт, HC; Мальгас, Джеральд Ф .; Хилли, Кеннет Т .; Мвакикунга, Bonex W. (28 февраля 2014 г.). «Температурная зависимость от структурных, оптических и парамагнитных свойств наноструктур ZnO». Прикладная наука о поверхности . 293 : 62–70. Bibcode : 2014ApSS..293 ... 62М . DOI : 10.1016 / j.apsusc.2013.12.076 . ISSN 0169-4332 . 
  14. ^ Leung, YH; Чен, XY; Ng, AMC; Guo, MY; Лю, ФЗ; Djurišić, AB; Чан, В.К .; 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. Bibcode : 2013ApSS..271..202L . DOI : 10.1016 / j.apsusc.2013.01.160 . ISSN 0169-4332 . 
  15. ^ Ip, K .; Талер, GT; Ян, Хюксу; Юн Хан, Санг; Ли, Юаньцзе; Нортон, Д.П .; Пиртон, SJ; Джанг, Соухан; Рен, Ф. (18 января 2006 г.). «Контакты с Зно». Журнал роста кристаллов . Материалы Международной конференции по материалам для передовых технологий (ICMAT 2005) Симпозиум № 287 (1): 149–156. Bibcode : 2006JCrGr.287..149I . DOI : 10.1016 / j.jcrysgro.2005.10.059 . ISSN 0022-0248 . 
  16. ^ Djurisic, AB; Люнг, YH; Tam, KH; Hsu, YF; Ding, L .; Ge, WK; Чжун, YC; Вонг, Канзас; Чан, В.К .; Tam, HL; Cheah, KW (2007). «Эмиссия дефектов в наноструктурах ZnO». Нанот . 18 (9): 095702. Bibcode : 2007Nanot..18i5702D . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 18/9/095702 . ISSN 0957-4484 . 
  17. ^ Ravirajan, Punniamoorthy; Пейро, Ана М .; Назируддин, Мохаммад К .; Гретцель, Майкл; Брэдли, Донал, округ Колумбия; Даррант, Джеймс Р .; Нельсон, Дженни (01.04.2006). "Гибридные фотоэлектрические устройства полимер / оксид цинка с вертикально ориентированными наностержнями ZnO и амфифильным молекулярным слоем интерфейса". Журнал физической химии B . 110 (15): 7635–7639. DOI : 10.1021 / jp0571372 . ISSN 1520-6106 . PMID 16610853 .  
  18. ^ a b 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. DOI : 10.1039 / C2JM15548F . ISSN 1364-5501 .