ZnO纳米结构的特性研究

ZnO纳米结构的特性研究

候宝东刘红梅

（黑龙江大学，黑龙江哈尔滨150080）

摘要：纳米结构ZnO具有优良的电学、气敏、光学、光催化氧化等物理性能，广泛应用于太阳能电池、发光二极管、透明电极、紫外光探测、气敏传感器等领域。纳米ZnO是一种n型金属氧化物半导体，其物理化学性能相对稳定并且成本较低从而被广泛使用。纳米ZnO通常以膜、线、带、棒等多种形式存在，常被用于甲烷、氢气、乙醇、氨气、甲醛等气体的检测。

关键词：ZnO；气敏；纳米结构

1.前言

材料目前已经成为科技发展的支撑和先导。气敏传感器作为检测气体的功能元件，可以对存在于环境中的可燃、有毒、易爆的气体起到检测作用，已经被广泛应用于家庭生活、公共场所、工厂企业[1]。对于目前的气敏传感器急需开发新型的气体敏感材料并通过材料的掺杂、改性、复合等手段提高其原有材料的敏感性能。其中，作为直接宽带隙半导体（室温下Eg=3.37eV）的氧化锌在室温下具有高的激子结合能（60meV），相比较于其他带隙半导体来说其结合能是非常大的。它具有优良的光学、电学、磁学、催化等特性并且物理特性相对稳定，在紫外发光器件、激光器、压力传感器、透明薄膜以及太阳能电池等许多方面拥有广泛的应用前景[2]。如果将传统的氧化锌材料纳米化后，其具有较大的表面积，将其制作成的气敏传感器不仅可以提高本身的灵敏度还可以提升其响应速度，并且可以降低工作的温度使其达到正常的状态。因此，纳米结构的氧化锌气敏特性已经越来越成为人们研究的热点[3]。

2.纳米结构ZnO的工艺制备原理以及工艺制备过程

本文采用溶胶凝胶法与水热法相结合制备氧化锌的纳米结构，所谓溶胶凝胶法就是无机盐类或金属醇盐经过溶胶、凝胶化和热处理后形成氧化物、金属单质等纳米材料，这样的方法称为溶胶凝胶法。水热法通常用来制备无机材料，其是指在蜜蜂条件下以水为溶剂进行化学反应的方法。其制备的粒子具有纯度高、分散性好、晶体可控制等特点。通过溶胶凝胶制备ZnO的籽晶层解决ZnO与玻璃衬底的晶格失调和纳米棒的生长取向。在溶胶凝胶的基础上进行水热法制备ZnO的纳米棒。基本过程如下：（1）将乙酸锌和乙二醇甲醚溶液混合均匀加入乙醇胺磁控搅拌2h，在室温条件下静置2d。（2）将上一步制备的前驱液以3000r/30s的转速在玻璃上匀胶并在100℃下进行烘干从而得到籽晶层。（3）分别将六次甲基四氨和六水合硝酸锌超声震荡5min并将两种溶液混合等水热溶液。（4）将有籽晶层的玻璃衬底放入水热反应溶液中在100℃条件下反应一定时间得到ZnO的纳米棒。通过相关文献的查阅将实验参数设置为在70℃、100℃、120℃的条件下分别水热3h、5h、7h，其中溶液浓度为0.02mol/L。通过电子扫描显微镜（SEM）观察衬底表面形状可以发现在相同水热时间、相同浓度条件下，温度越高纳米棒的聚集程度越高，成棒率也越高，纳米棒的形貌特征随着温度的升高而变好。在相同生长温度和相同浓度的条件下，生长的时间越长纳米棒所呈现的棒状结构就越饱满，形成棒的密度也越高越密集。下图是120℃条件下水热7h的SEM图，可以清楚的看到纳米棒的形态结构。

3.纳米结构ZnO的特性分析

纳米结构ZnO的主要性能指标包括灵敏度、相应时间、恢复时间、选择性、稳定性等性能参数。本文主要测量ZnO结构的灵敏度。首先制备气敏元件利用掩模版在长有纳米棒的衬底上镀Al电极。性能测试系统由LU-960M智能程序调节加热器、控制电路板、测试电路板以及电脑组成。通过加热器对衬底施加温度、控制电路板对衬底施加一定的直流和交流电、测试电路板固定衬底使其与电路充分连接，电脑采集数据。通过将带有纳米棒的衬底放入测试系统中并相应的改变温度和乙醇气体浓度两个参数观察电阻阻值的变化，乙醇气体浓度的变化范围主要从0到50ppm到100ppm再到150ppm，温度间隔为50℃，分别测量27℃、50℃、100℃、150℃下的电阻值，一共可以得到16组数据。通过对乙醇气体的16组数据可以看出保持温度相同，充入的气体浓度越高测得纳米棒的阻值就越低。保持气体浓度相同，衬底加的温度越高，纳米棒的电阻就越小。同理充入氨气气体可得出相同的结论。灵敏度是衡量气敏元件特性好坏的重要参数，其计算公式为Sr=∆R/Ra(其中∆R是被测气体中的电阻与空气中电阻的差值)，通过公式可以得出气敏元件对氨气，乙醇的灵敏度关系。

可以清晰的看出当温度相同时，浓度越高氨气气体和乙醇气体的灵敏度就越高。相同浓度时，温度越高氨气气体和乙醇气体的灵敏度越高。同样地，可以直观的观察出相同温度相同条件下气敏元件对乙醇的灵敏度总大于气敏元件对氨气的灵敏度。根据选择性定义可以得出，气敏元件对乙醇气体的选择性好于对氨气气体的灵敏度。根据灵敏度变化曲线可知在25℃、50℃、100℃、150℃的条件下气敏元件的最适温度为150℃。

4.结论

通过利用溶胶凝胶法制备前驱液生长籽晶层再继续在此基础上进行水热反应生长纳米结构ZnO得到的结构特征呈现棒状结构。并且影响纳米棒形态结构影响因素有很多包括水热反应的温度、涂胶的次数、水热反应的时间都会对反应过程存在影响。通过试验数据以及其在不同条件下的电阻和灵敏度的曲线状态可比较得知以下结论。在相同温度但不同浓度的条件下，其充入气体浓度越高其电阻阻值越小。在相同浓度下但不同温度情况下，其温度越高其电阻值越小。在相同温度但不同浓度的条件下，其浓度越高则带有纳米结构的基底对气体的灵敏度就越高。在相同浓度但不同浓度的条件下，其温度越高则带有纳米结构的基底对气体的灵敏度就越高。

参考文献

[1]张建交.纳米结构氧化锌的水热合成以及气敏特性[D].哈尔滨理工大学.2010,2:1-2

[2]MANOHARANSS,RAOML.SonochemicalSynthesisofNanomaterials[J].Cheminform,2004,35(48):67-82

[3]张祥涛,吴起白,张海燕.一维纳米结构氧化锌的水热法制备及紫外光敏特性研究[J].材料导报,2009,(22):15-18.

作者简介：候宝东（1995.04—），男，黑龙江省兰西人，哈尔滨市南岗区黑龙江大学微电子学与固体电子学2017级，研究生，研究方向：MEMS/NEMS技术。