氧化鋅納米材料的研究進(jìn)展.doc

吉林化工學(xué)院畢業(yè)論文氧化鋅納米材料的研究進(jìn)展 Research progress Zinc Oxide nano materials學(xué)生學(xué)號(hào)： 10820216 學(xué)生姓名： 梁鶴 專業(yè)班級(jí)： 應(yīng)用物理學(xué)1002 指導(dǎo)教師： 曲銘鐳 職 稱： 助教 起止日期： 2014.2.272014.6.15 吉 林 化 工 學(xué) 院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工學(xué)院畢業(yè)論文摘 要近年來(lái)，納米材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)作用而被廣為重視，并逐步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，納米氧化鋅粒子作為聯(lián)系宏觀物體及微觀粒子的橋梁，其潛在的重要性毋庸置疑，一些發(fā)達(dá)國(guó)家都投入大量資金開(kāi)展預(yù)研究工作，國(guó)內(nèi)的許多科研院所、高等院校也組織科研力量，開(kāi)展納米材料的研究工作。納米氧化鋅是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細(xì)無(wú)機(jī)產(chǎn)品，其粒徑介于1100nm，由于具有納米材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì)，使得納米氧化鋅產(chǎn)生了表面效應(yīng)及體積效應(yīng)等，從而使其在磁、光、電、敏感性等方面具有一般氧化鋅產(chǎn)品無(wú)法比擬的特殊性能和新用途。納米材料已成為當(dāng)今許多科學(xué)工作者研究的熱點(diǎn)，而氧化鋅納米材料的許多優(yōu)異性能使其成為重要的研究對(duì)象并得到廣泛的應(yīng)用，本文概述了納米ZnO的應(yīng)用前景及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對(duì)納米氧化鋅各種制備方法的基本原理等進(jìn)行了詳細(xì)的分析討論，同時(shí)提出了每種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，簡(jiǎn)單介紹了氧化鋅納米材料的性質(zhì)及其可能的應(yīng)用領(lǐng)域，提出了研究方向，并對(duì)氧化鋅納米材料的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：納米氧化鋅；氧化鋅；應(yīng)用研究和進(jìn)展- I -Abstract In recent years， nano materials because of their unique physical and chemicaleffects and wide attention，and gradually applied to various fields，nano Zinc Oxide particle as a bridge between macroscopic and microscopic particles，its potential importance is beyond doubt， some developed countries have to invest a lot of money to carry out pre research work，many research institutes at home theinstitutions of higher learning，also organized scientific research strength，research of nano materials. Nano Zinc Oxide is a new high functional fine inorganic products for twenty-first Century，the particle size is between 1100nm，the structural characteristics and properties of nano materials，the nanoZinc Oxide produced surface effect and volume effect，so it has specialperformance in general Zinc Oxide products are incomparable and new uses inmagnetic，optical，electrical，sensitivity etc.Nano materials has become a hotspot of the many scientific researchers，andmany excellent properties Zinc Oxide nano material so that it becomes the important research object and is widely applied， this paper outlines the current research status and application prospect of nanometer ZnO at home and abroad，the various preparation methods of nano Zinc Oxide basic principle in detail theanalysis and discussion，and puts forward the advantages and disadvantages of each technology，introduces the properties Zinc Oxide nano material and itspossible application，the research direction is proposed，and the development prospect of Zinc Oxide nano materials are introduced.Key words: Nano ZnO; ZnO; Applied research and development- 21 -目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒 論11.1引 言11.2納米材料的概述21.2.1納米材料基本概念21.2.2納米材料介紹21.2.3納米材料的基本性質(zhì)21.2.4納米材料的制備方法31.3ZnO納米材料的概述51.3.1氧化鋅的基本性質(zhì)51.3.2氧化鋅晶體的結(jié)構(gòu)51.3.3ZnO納米結(jié)構(gòu)61.3.4納米氧化鋅的基本性能61.3.5納米氧化鋅的應(yīng)用8第二章 氧化鋅納米新研究進(jìn)展122.1ZnO一維納米材料122.1.1一維納米材料的制備方法122.1.2ZnO一維納米材料的性能及應(yīng)用132.1.3ZnO一維納米材料應(yīng)用研究142.2ZnO納米材料的新進(jìn)展152.2.1ZnO納米材料制備的新方法152.2.2納米ZnO的新應(yīng)用16第三章 氧化鋅納米材料的研究展望19參考文獻(xiàn)20致 謝21第一章 緒 論 1.1引 言納米ZnO材料顯示出以往未曾有過(guò)的優(yōu)異性能，即使在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中，也顯示出較普通ZnO材料更加優(yōu)良的性能，其應(yīng)用前景非常廣闊，其技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究已受到高度重視，如何大規(guī)模，低成本制備納米ZnO材料就顯得尤為重要，目前研究的方向是進(jìn)一步深入探討ZnO的形成機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)，探求高純納米ZnO的制備方法，并使之工業(yè)化，隨著制備技術(shù)的進(jìn)一步完善和應(yīng)用研究的進(jìn)一步深入，納米氧化鋅必將成為21世紀(jì)一個(gè)大放異彩的明星而展現(xiàn)在新材料，能源，信息等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮其更加舉足輕重的作用1。ZnO是一種直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，帶隙約為335eV。近幾年來(lái)，納米結(jié)構(gòu)ZnO材料引起了人們的廣泛興趣。它作為發(fā)光材料、太陽(yáng)能電池窗口材料，以及在其他電子器件領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。ZnO晶體材料具有六方纖維礦結(jié)構(gòu)，屬于直接躍遷寬禁帶半導(dǎo)體材料，其室溫下帶隙約為335eV。具有大的激子結(jié)合能，約為60meV，比GaN激子結(jié)合能(25meV)還要大，而且與InGaN材料的晶格較為匹配，因此有利于這兩種材料的集成，這些性質(zhì)在光電子器件制備領(lǐng)域都是十分優(yōu)越的材料特性。眾所周知，由于納米材料具有大的比表面積、以及量子尺寸效應(yīng)等特殊性質(zhì)，近幾年來(lái)，人們對(duì)于ZnO納米材料的研究工作以極快的速度進(jìn)展。人們采用了多種方法，諸如分子束外延、熱蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、射頻濺射、電化學(xué)沉積、溶膠凝膠法，以及脈沖激光沉積等 ，制備出了多種納米結(jié)構(gòu)的ZnO材料，諸如納米棒、納米線、納米管、納米帶、納米顆粒，以及納米花狀結(jié)構(gòu)等。 納米技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊，經(jīng)濟(jì)效益十分巨大，納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其相應(yīng)發(fā)展起來(lái)的納米技術(shù)被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域2。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于納米ZnO的研究報(bào)道很多，日本、美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)等都做了很多工作。國(guó)內(nèi)對(duì)納米ZnO的研究起步較晚，和美、歐以及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，關(guān)于納米ZnO的研究報(bào)道源于90年代初，但近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的重視。“863計(jì)劃”和“攀登計(jì)劃”等都把納米ZnO的課題列入其中，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)納米ZnO研究的較快發(fā)展，積極開(kāi)展多方向的納米技術(shù)的研究工作，無(wú)疑具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義3。 1.2納米材料的概述 1.2.1納米材料基本概念納米(nm)和米、微米等單位一樣，是一種長(zhǎng)度單位，一納米等于十的負(fù)九次方米，約比化學(xué)鍵長(zhǎng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。納米科技是研究由尺寸在0.1至100納米之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)?？裳苌黾{米電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)加工學(xué)等。納米材料是指三維空間尺度至少有一個(gè)維度處于納米量級(jí)(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。由于其組成單元的尺度小，界面占用相當(dāng)大的成分。因此，納米材料具有多種特點(diǎn)，這就導(dǎo)致由納米微粒構(gòu)成的體系出現(xiàn)了不同于通常的大塊宏觀材料體系的許多特殊性質(zhì)。納米體系使人們認(rèn)識(shí)自然又進(jìn)入一個(gè)新的層次，它是聯(lián)系原子、分子和宏觀體系的中間環(huán)節(jié)，是人們過(guò)去從未探索過(guò)的新領(lǐng)域，實(shí)際上由納米粒子組成的材料向宏觀體系演變過(guò)程中，在結(jié)構(gòu)上有序度的變化，在狀態(tài)上的非平衡性質(zhì)，使體系的性質(zhì)產(chǎn)生很大的差別，對(duì)納米材料的研究將使人們從微觀到宏觀的過(guò)渡有更深入的認(rèn)識(shí)。 1.2.2納米材料介紹納米材料是納米科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是納米科技最為重要的研究對(duì)象。自 1861年以來(lái)，隨著膠體化學(xué)的建立，人們開(kāi)始了對(duì)直徑 1 nm100 nm的粒子系統(tǒng)即所謂膠體的研究，但真正有意識(shí)地把納米粒子作為研究對(duì)象始于20世紀(jì)60年代。廣義上，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，即納米材料是物質(zhì)以納米結(jié)構(gòu)按一定方式組裝成的體系，或納米結(jié)構(gòu)排列于一定基體中分散形成的體系，包括納米超微粒子、納米塊體材料和納米復(fù)合材料等。縱觀納米材料的發(fā)展歷史，大致可以分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段限于合成納米顆粒粉體或合成塊體等單一材料和單相材料;第二個(gè)階段則集中于各類納米復(fù)合材料的研究;到第三個(gè)階段表現(xiàn)為對(duì)納米自組裝、人工組裝合成的納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系等納米結(jié)構(gòu)材料的關(guān)注。納米材料的研究?jī)?nèi)涵也從最初的納米顆粒以及由它們所組成的薄膜與塊體，擴(kuò)大至納米絲、納米管、微孔和介孔材料等范疇。1.2.3納米材料的基本性質(zhì)當(dāng)粒子的尺寸減小到納米量級(jí)，將導(dǎo)致材料在聲、光、電、磁、熱性能上都表現(xiàn)出新的特性。比方說(shuō)：被廣泛研究的II-VI族半導(dǎo)體硫化鎘，其吸收帶邊界和發(fā)光光譜的峰的位置會(huì)隨著晶粒尺寸減小而顯著藍(lán)移。按照這一原理，可以通過(guò)控制晶粒尺寸來(lái)得到不同能隙的硫化鎘，這將大大豐富材料的研究?jī)?nèi)容和可望得到新的用途。我們知道物質(zhì)的種類是有限的，微米和納米的硫化鎘都是由硫和鎘元素組成的，但通過(guò)控制制備條件，可以得到帶隙和發(fā)光性質(zhì)不同的材料。也就是說(shuō)，通過(guò)納米技術(shù)得到了全新的材料。納米顆粒往往具有很大的比表面積，每克這種固體的比表面積能達(dá)到幾百甚至上千平方米，這使得它們可作為高活性的吸附劑和催化劑，在氫氣貯存、有機(jī)合成和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。對(duì)納米體材料，我們可以用“更輕、更高、更強(qiáng)”這六個(gè)字來(lái)概括?！案p”是指借助于納米材料和技術(shù)，我們可以制備體積更小性能不變甚至更好的器件，減小器件的體積，使其更輕盈。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要三間房子來(lái)存放，正是借助于微米級(jí)的半導(dǎo)體制造技術(shù)，才實(shí)現(xiàn)了其小型化，并普及了計(jì)算機(jī)。無(wú)論從能量和資源利用來(lái)看，這種“小型化”的效益都是十分驚人的。“更高”是指納米材料可望有著更高的光、電、磁、熱性能?！案鼜?qiáng)”是指納米材料有著更強(qiáng)的力學(xué)性能(如強(qiáng)度和韌性等)，對(duì)納米陶瓷來(lái)說(shuō)，納米化可望解決陶瓷的脆性問(wèn)題，并可能表現(xiàn)出與金屬等材料類似的塑性。1.2.4納米材料的制備方法納米材料具有諸多制備方法。若將其制備方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類，可分為物理法和化學(xué)法以及氣相法和液相法。本節(jié)介紹幾類常見(jiàn)的制備方法，同時(shí)介紹幾種較前沿的納米材料制備技術(shù)。1.真空冷凝法真空冷凝法是采用真空蒸發(fā)、加熱與高頻感應(yīng)等方法使金屬原子氣化或形成等離子體，然后快速冷卻，最終在冷凝管上獲得納米粒子的方法。通過(guò)調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度場(chǎng)和氣體壓力等參數(shù)，可以控制納米微粒的尺寸。用這種方法制備的納米微粒的最小顆?？蛇_(dá)2nm。真空冷凝法的優(yōu)點(diǎn)是純度高、結(jié)晶組織好及粒度可控且分布均勻，適用于任何可蒸發(fā)的元素和化合物；其缺點(diǎn)是對(duì)技術(shù)和設(shè)備的要求較高。2.機(jī)械球磨法機(jī)械球磨法以粉碎與研磨相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)材料粉末的納米化。適當(dāng)控制機(jī)械球磨法的條件，可以得到純?cè)?、合金或?fù)合材料的納米超微顆粒。機(jī)械球磨法的優(yōu)點(diǎn)是操作工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，制備效率高，能夠制備出常規(guī)方法難以獲得的高熔點(diǎn)金屬合金納米超微顆粒，其缺點(diǎn)是顆粒分布不均勻，純度較低。3.氣相沉積法氣相沉積法是利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)來(lái)合成納米微粒的一種方法。如近年興起的激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積(LICVD)，具有清潔表面、粒子大小可控制、無(wú)粘結(jié)及粒度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，易于制備出從幾納米到幾十納米的非晶態(tài)或晶態(tài)納米微粒。LICVD 法已成功用于單質(zhì)、無(wú)機(jī)化合物和復(fù)合材料納米微粒的制備過(guò)程。4.化學(xué)沉淀法化學(xué)沉淀法屬于液相法的一種。常用的化學(xué)沉淀法可以分為共沉淀法、均相沉淀法、多元醇沉淀法、沉淀轉(zhuǎn)化法以及直接轉(zhuǎn)化法等方法。具體的方法是將沉淀劑加入到包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液中，使其發(fā)生水解反應(yīng)，形成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或者鹽類而從溶液中析出，然后將溶劑和溶液中原有的陰離子洗去，并經(jīng)過(guò)熱水解或者脫水處理，就可以得到納米顆粒材料。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，適合于制備納米氧化物粉體等材料。缺點(diǎn)是純度較低，且顆粒粒徑較大。5.水熱合成法水熱法是在高壓釜里的高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境中，采用水作為反應(yīng)介質(zhì)，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解，反應(yīng)還可進(jìn)行重結(jié)晶。水熱技術(shù)具有兩個(gè)特點(diǎn) ，一是其相對(duì)低的溫度，二是在封閉容器中進(jìn)行，避免了組分揮發(fā)。水熱條件下粉體的制備有水熱結(jié)晶法、水熱合成法、水熱分解法、水熱脫水法、水熱氧化法和水熱還原法等4。近年來(lái)還發(fā)展出電化學(xué)熱法以及微波水熱合成法。前者將水熱法與電場(chǎng)相結(jié)合，而后者用微波加熱水熱反應(yīng)體系。與一般濕化學(xué)法相比較，水熱法可直接得到分散且結(jié)晶良好的粉體，不需作高溫灼燒處理，避免了可能形成的粉體硬團(tuán)聚，而且水熱過(guò)程中可通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件的調(diào)節(jié)來(lái)控制納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶形態(tài)與晶粒純度。6.溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法廣泛地應(yīng)用于金屬氧化物納米粒子的制備。前驅(qū)物用金屬醇鹽或者非醇鹽均可。方法實(shí)質(zhì)是前驅(qū)物在一定的條件下水解成溶膠，再制成凝膠，經(jīng)干燥等低溫?zé)崽幚砗螅频盟杓{米粒子。無(wú)機(jī)材料的制備大多要經(jīng)過(guò)高溫的退火處理，而溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)之一是可以大大降低合成溫度，加上溶膠-凝膠法溫和的反應(yīng)條件，使該法成為制備有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的最有效方法之一5。此法通常是在有機(jī)金屬化合物中引入有機(jī)相聚合物，在適當(dāng)?shù)臈l件下水解成溶膠后轉(zhuǎn)化成凝膠 或在無(wú)機(jī)溶膠中加入單體，在聚合過(guò)程中形成凝膠，使聚合物原位生成并均勻地嵌入在無(wú)機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。1.3ZnO納米材料的概述1.3.1氧化鋅的基本性質(zhì)氧化鋅，俗稱鋅白，屬六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，白色或淺黃色晶體或粉末，無(wú)毒，無(wú)臭，系兩性氧化物，不溶于水和乙醇，溶解于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿，在空氣中能吸收二氧化碳和水6。1.3.2氧化鋅晶體的結(jié)構(gòu)氧化鋅晶體是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于六方晶系，為極性晶體。氧化鋅晶體結(jié)構(gòu)中，Zn原子按六方緊密堆積排列，每個(gè)Zn原子周圍有4個(gè)氧原子，構(gòu)成ZnO4配位四面體結(jié)構(gòu)，晶體中負(fù)離子配位多面體就成為研究晶體結(jié)構(gòu)與形貌基本結(jié)構(gòu)的單元。ZnO46在一個(gè)晶胞層中可分為上、下兩層，兩層四面體，而上、下兩層四面體的頂角和面與六方柱之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是相同的。同時(shí)，上、下兩層Zn02四面體的頂角都是指向晶體的負(fù)極面。正極面與四面體的面平行，在C軸方向Zn、0原子的分布是不對(duì)稱的，表現(xiàn)出極性晶體的特征7。見(jiàn)圖1圖2。圖1 纖鋅礦型ZnO的晶體結(jié)構(gòu)模型 圖2 六邊纖鋅礦結(jié)構(gòu)1.3.3ZnO納米結(jié)構(gòu)ZnO由于豐富的納米形貌，已經(jīng)成為眾多納米材料中重要的一族。ZnO納米結(jié)構(gòu)及其器件也是目前ZnO研究的熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，人們制備除了各種形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)，如零維納米結(jié)構(gòu)、一維納米結(jié)構(gòu)、二維納米結(jié)構(gòu)、三維納米結(jié)構(gòu)以及由此衍生而來(lái)的一些納米結(jié)構(gòu)等等。圖3顯示了幾種ZnO的納米結(jié)構(gòu)。圖3 ZnO納米材料的不同結(jié)構(gòu)形態(tài)1.3.4納米氧化鋅的基本性能納米氧化鋅(ZnO)是一種直接寬禁帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下其禁帶隙寬3.37eV，激子束縛能為60meV。納米氧化鋅的粒徑介于1-100nm，由于顆粒尺寸的細(xì)微化，顆粒比表面積急劇增加，使得納米氧化鋅產(chǎn)生了其本體塊狀物料所不具備的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，因而使得納米氧化鋅在磁、光、電、敏感性等方面具有一般氧化鋅產(chǎn)品無(wú)法比擬的特殊性能和新用途8。1.表面效應(yīng)球形粒子的表面積與其半徑平方成正比，體積與其半徑的立方成正比，所以表積比（表面積與體積之比）與粒子半徑成反比。表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比（即表面積與體積之比）隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加，另外，納米粒子的表面積、表面能及表面結(jié)合也都迅速增大。這主要是由于粒徑越小，處于表面的原子數(shù)越多。同時(shí)，表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，故具有很大的化學(xué)活性。所以，伴隨表面能的增加，其顆粒的表面原子數(shù)增多，表面原子數(shù)與顆粒的總原子數(shù)的比值也增大，于是便產(chǎn)生了“表面效應(yīng)”9，使其表面與內(nèi)部的晶格振動(dòng)產(chǎn)生了顯著變化，導(dǎo)致納米材料具有許多奇特的性能。2.體積效應(yīng)納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化劑及熔點(diǎn)等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化，這就是納米粒子的體積效應(yīng)，這種體積效應(yīng)為實(shí)際應(yīng)用開(kāi)拓了廣闊的新領(lǐng)域10。 3.量子尺寸效應(yīng)當(dāng)微粒尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)，吸收光譜閾值向短波方向移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。納米粒子的量子尺寸效應(yīng)使其在光、磁、熱、電、催化等特性與普通材料有顯著的不同。對(duì)半導(dǎo)體材料而言，尺寸小于其本身的激子波爾半徑，就會(huì)表現(xiàn)明顯的量子效應(yīng)。4.宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢(shì)阱的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)，該效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)一起確定了微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，也限定了采用磁帶磁盤進(jìn)行信息儲(chǔ)存的最短時(shí)間11。1.3.5納米氧化鋅的應(yīng)用把制備技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)控制工程方面的研究，制備出粒度、晶型、形貌等均符合應(yīng)用的納米氧化鋅。加強(qiáng)納米氧化鋅與其他納米材料或非納米材料的復(fù)合添加技術(shù)及相關(guān)設(shè)備的研究，如表面包覆后更好地應(yīng)用于抗菌、消毒等領(lǐng)域，如抗菌塑料及制品、家電制品、廚房用品、醫(yī)療衛(wèi)生、衛(wèi)浴潔具、合成纖維、日用品、玩具、電子通訊等；加強(qiáng)應(yīng)用過(guò)程中的相關(guān)測(cè)試儀器的研究與開(kāi)發(fā)；加強(qiáng)各學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)作與聯(lián)合；加強(qiáng)科技界與企業(yè)界的共同合作 。1.納米氧化鋅在橡膠輪胎中的應(yīng)用12橡膠工業(yè)是氧化鋅的最大用戶，納米氧化鋅作為普通氧化鋅的代換材料，在橡膠工業(yè)中的應(yīng)用已越來(lái)越受到重視。這是因?yàn)榧{米氧化鋅具有顆粒微小，比表面積大，疏松多孔，流動(dòng)性好等優(yōu)良的物理化學(xué)特性，因此，與橡膠的親和性好，熔煉時(shí)易分散，膠料生熱低，扯斷變形小，彈性好，能夠改善材料的工藝性能和物理性能。因此用于制造高速耐磨的橡膠制品，如飛機(jī)輪胎、高級(jí)轎車用的子午線胎等，具有防止老化、抗摩擦著火、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，不僅改善了橡膠制品的表觀質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量，而且其用量?jī)H為等級(jí)氧化鋅用量的30-50，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。優(yōu)點(diǎn)：具有防止老化、抗摩擦著火、使用壽命長(zhǎng)、用量少等優(yōu)點(diǎn)，大幅度提高了橡膠制品的光潔度、機(jī)械強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度，耐熱氧化性能和耐老化性能，特別是耐磨性能，抗折性提高5倍，可制作導(dǎo)電性橡膠，經(jīng)典遮蔽橡膠，作為一種光致發(fā)光材料，可制作蓄光性橡膠（耐久性3-4年）。實(shí)例見(jiàn)圖4。 圖4 納米氧化鋅在橡膠輪胎中的應(yīng)用2.納米氧化鋅在陶瓷中的應(yīng)用13陶瓷行業(yè)是納米氧化鋅的又一大用戶。納米氧化鋅極小的粒徑，大的比表面積和高的化學(xué)性能，可以顯著降低材料的燒結(jié)致密化程度，節(jié)約能源，使陶瓷材料的組成結(jié)構(gòu)致密化、均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性。納米氧化鋅可不經(jīng)磨碎直接使用，并使陶瓷制品的燒結(jié)溫度降低400-600，燒成品光亮如鏡，有很好的“成像效應(yīng)”，故可減少工序，降低能耗，極大地提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。加有納米氧化鋅的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有機(jī)物的自潔作用。優(yōu)點(diǎn)：納米氧化鋅材料的結(jié)構(gòu)層次控制材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能，充分發(fā)揮陶瓷的潛在性能；同時(shí)可以減少陶瓷結(jié)構(gòu)缺陷，表面光亮如鏡，提高強(qiáng)度，玻璃可抗紫外線，耐磨，抗菌除臭，使得陶瓷本身具有抗菌除臭和分解有機(jī)物的自凈作用。3.納米氧化鋅在防曬化妝品中的應(yīng)用原理：納米氧化鋅在陽(yáng)關(guān)尤其是紫外線的照射下，在水和空氣中，能自行分解出自由移動(dòng)的帶負(fù)電的電子，同事留下帶正電的空穴。這種空穴可以講空氣中的氧變成活性氧，有極強(qiáng)的化學(xué)活性，能與大多數(shù)有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)（包括細(xì)菌類的有機(jī)物），從而把大多數(shù)的細(xì)菌和病毒殺死。納米氧化鋅的抗菌抗紫外能力很強(qiáng)，在5分鐘內(nèi)，納米氧化鋅的濃度為1小時(shí)，金黃色葡萄球菌的殺菌率為98.86%，大腸桿菌的殺菌率為99.93%。應(yīng)用于外用藥物，對(duì)皮膚有收斂、消炎、防皺和保護(hù)功能；在化妝品的防曬劑以防止紫外線的傷害并能抗菌除臭，吸收油脂。4.納米氧化鋅在油漆涂料中的應(yīng)用借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可進(jìn)一步提高涂料防護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)防紫外線照射，耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用，在標(biāo)牌上使用納米材料涂層，可利用其光學(xué)特性，達(dá)到儲(chǔ)存太陽(yáng)能，節(jié)約能源的目的，在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達(dá)到減少光的透射和熱傳遞效果、產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果14。 艦船長(zhǎng)期航行、停泊在海洋環(huán)境中，采用納米氧化鋅作原料，制成一種艦船專用的涂料，不僅起到屏蔽紫外線的作用，而且還可以殺滅各種微生物，從而可提高航行速度并延長(zhǎng)檢修期限。此外，用納米氧化鋅制造一種汽車(尤其是高級(jí)轎車)專用的變色顏料，添加在金屬閃光的面漆中，隨著角度的變化，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的“顏色效應(yīng)”，使車身表面產(chǎn)生較好的成像效果，增輝閃光，深受汽車配色專家的偏愛(ài)。實(shí)例見(jiàn)圖5。圖5 納米氧化鋅在油漆涂料中的應(yīng)用 5.納米氧化鋅在紡織中的應(yīng)用納米氧化鋅在紡織領(lǐng)域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌劑、熒光材料、光催化材料等。將金屬氧化鋅粉末制成納米級(jí)時(shí)，由于微粒尺寸與光波相當(dāng)或更小，尺寸效應(yīng)使導(dǎo)帶及價(jià)帶的間隔增加，故光吸收顯著增強(qiáng)。納米氧化鋅對(duì)光的漫反射率較低，使得纖維透明度較高且利于紡織品染整。日本利用納米氧化鋅除臭劑的防臭纖維能吸收臭味凈化空氣，可用于制成長(zhǎng)期臥床病人和醫(yī)院的消臭敷料、繃帶、尿布、睡衣、窗簾及廁所用紡織品等。 6.納米氧化鋅在催化劑和光催化劑中的應(yīng)用納米氧化鋅因其尺寸小、比表面積大、表面鍵性和顆粒內(nèi)部的不同、表面原子配位不全等，導(dǎo)致表面的活性位置增多，形成了凸凹不平的原子臺(tái)階，加大了反應(yīng)接觸面，此外，氣體通過(guò)納米氧化鋅的擴(kuò)散速度比較快，因此，納米氧化鋅的催化活性和選擇性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其傳統(tǒng)催化劑15。例如，水中的有害有機(jī)物質(zhì)如有機(jī)氯化物、農(nóng)藥、界面活性劑、色素等，用目前的水處理技術(shù)充分去除是困難的，而氧化鋅作為光催化劑可以使有機(jī)物分解，研究表明，納米氧化鋅粒子的反應(yīng)速度是普通氧化鋅粒子的100-1000倍，而且與普通粒子相比，它幾乎不引起光的散射，且有大的比表面積和寬的能帶，因此被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的光催化劑之一。7.納米氧化鋅在磁性材料中的應(yīng)用磁性材料是電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，納米磁性材料的特性不同于常規(guī)的磁性材料，其原因是有關(guān)聯(lián)于與磁相關(guān)的特征物理長(zhǎng)度恰好處于納米量級(jí)，例如：磁單疇尺寸、超順磁性臨界尺寸、交換作用長(zhǎng)度、以及電子平均自由路程等大致處于1lOOnm量級(jí)，當(dāng)磁性體的尺寸與這些特征物理長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)反常的磁學(xué)性質(zhì)。納米做晶金屬軟磁材料具有十分優(yōu)異的性能，高磁導(dǎo)率、低損耗、高飽和磁化強(qiáng)度，已應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、變壓器、傳感器等，可實(shí)現(xiàn)器件的小型化、輕型化、高頻化以及多功能化，近年來(lái)發(fā)展十分迅速。 8.作為填充劑的應(yīng)用普通的ZnO的空間結(jié)構(gòu)含有氧空位和間隙鋅等，它們?cè)诮麕е幸霚\施主能級(jí)，而使ZnO表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體的性質(zhì)，所以納米ZnO顆粒以其良好導(dǎo)電性能可以用作導(dǎo)電纖維、塑料、涂料的填充劑以提高產(chǎn)品的導(dǎo)電性能和抗靜電能力。例如，在橡膠中補(bǔ)充納米氧化鋅等補(bǔ)強(qiáng)性填料，可以提高橡膠制品的物理機(jī)械性能，延長(zhǎng)使用壽命16。 除以上應(yīng)用之外，納米氧化鋅還可以應(yīng)用于光電探測(cè)器、圖像記錄材料等。第二章 氧化鋅納米新研究進(jìn)展2.1ZnO一維納米材料2.1.1一維納米材料的制備方法ZnO一維納米材料的制備方法多種多樣，但制備過(guò)程中需要解決:一維納米ZnO直徑和長(zhǎng)度的控制，在各種基板上對(duì)一維納米ZnO的組裝，納米器件性能測(cè)量和應(yīng)用的要求等。1.固相法原則上，固相熱蒸發(fā)技術(shù)是一種簡(jiǎn)單有效的制備一維納米材料方法，根據(jù)生長(zhǎng)機(jī)理可分為氣固(VS)和氣液固(VLS)生長(zhǎng)方法。通過(guò)控制固相反應(yīng)條件，一維ZnO納米材料的各種形態(tài)已被廣泛合成，如:納米線、納米棒、納米管、納米帶、同軸納米電纜等，各種異質(zhì)的ZnO形態(tài)結(jié)構(gòu)也已合成，如:四針狀、納米針和納米橋、納米彈簧和壓電納米環(huán)、納米懸臂、納米樹(shù)枝、納米籠等。固相法合成ZnO各種形態(tài)及陣列，發(fā)展其控制過(guò)程以及在基板上的組裝，必將推動(dòng)ZnO一維納米材料的性能研究和應(yīng)用。2.液相法液相合成ZnO一維納米材料通常采用反應(yīng)物生成Zn(NH3)42+或Zn(OH)42-先驅(qū)體，隨后在一定水熱條件下分解生長(zhǎng)ZnO。液相合成的各種ZnO形態(tài)包括納米線、納米棒、納米管、塔狀、花狀、棱柱狀、多刺球狀、雪花狀等。GaoX.P等采用改進(jìn)的兩步水熱合成，制備出轉(zhuǎn)子狀的ZnO結(jié)構(gòu)。ChoyJ.H等在玻璃基板上長(zhǎng)出納米珊瑚礁。TianZ.R等成功制備出納米ZnO仿生結(jié)構(gòu)珍珠質(zhì)形態(tài)。這些生物形態(tài)ZnO納米材料的合成為ZnO在納米級(jí)仿生材料方面開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域。除以上兩種主要合成一維ZnO納米材料方法外，還有電化學(xué)沉積法、模板法以及各種方法的結(jié)合?；赯nO一維納米材料合成方法和生長(zhǎng)機(jī)制的不斷發(fā)展，綜合運(yùn)用各種合成方法制備出不同類型并具有特定性能的一維功能ZnO納米材料，探索其生長(zhǎng)機(jī)制和控制原理、組成結(jié)構(gòu)和物性的關(guān)系是當(dāng)前納米科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展的關(guān)鍵。2.1.2ZnO一維納米材料的性能及應(yīng)用合成和組裝具有不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的ZnO一維納米材料、測(cè)量其光、電、磁等性能是ZnO在納米電子器件領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。1.光學(xué)性能2001年，HuangM.H等首次利用ZnO納米線陣列成功制備了納米激光器，ZnO一維納米材料的發(fā)光特性開(kāi)始受到國(guó)際上的廣泛關(guān)注，經(jīng)各課題組研究表明，室溫下低能量(60W/cm2)激發(fā)的ZnO納米線熒光譜圖中，在3.26eV自由激子通過(guò)碰撞重組產(chǎn)生紫外激光發(fā)射，在2.44eV離子化氧空位的電子和光照產(chǎn)生的空穴激發(fā)重組產(chǎn)生綠光發(fā)射。HongS等研究不同尺度的ZnO納米棒時(shí)間分辨光譜表明，輻射激子的結(jié)合速率隨納米棒長(zhǎng)度的增加而降低，當(dāng)納米棒尺度降低到與激子光波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)皮秒時(shí)間分辨熒光，從而為設(shè)計(jì)高效納米光電裝置提供了標(biāo)準(zhǔn)。YuS.F等還制備出ZnO/MgO納米棒異質(zhì)結(jié)構(gòu)，觀察到隨機(jī)發(fā)光行為。在ZnO納米線陣列激光激發(fā)的基礎(chǔ)上，ParkW等利用金屬有機(jī)氣相分子束外延技術(shù)在p-GaN基板上生長(zhǎng)n-ZnO納米棒陣列，并用電流激活其異質(zhì)結(jié)觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象，這種p-n結(jié)納米棒表現(xiàn)出高的電流密度和發(fā)光強(qiáng)度，為開(kāi)發(fā)新型光電納米器件提供了可行性研究。這些工作最終可發(fā)展制備出真正的納米線發(fā)光二極管、紫外激光探測(cè)器，并用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計(jì)算機(jī)磁盤和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量。2.場(chǎng)發(fā)射性能場(chǎng)發(fā)射陰極通常要求大的長(zhǎng)徑比和納米級(jí)頂端、良好的導(dǎo)電特性、電子逸出功低。ZnO納米線陣列形態(tài)的制備提供了其作為場(chǎng)發(fā)射陰極的研究，ZnO納米線陣列在電流密度是0.1A/cm2時(shí)的閥值場(chǎng)強(qiáng)為6.0V/m，達(dá)到場(chǎng)發(fā)射顯示要求(1A/cm2)時(shí)所需的電場(chǎng)是11V/m，場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)因子為847，低于碳納米管作為場(chǎng)發(fā)射陰極的性能(閥值場(chǎng)強(qiáng)為0.8V/m，電流密度達(dá)到場(chǎng)發(fā)射顯示要求，場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)因子為8000)。具有尖端的ZnO納米針陣列的合成，大大提高了ZnO場(chǎng)發(fā)射性能，閥值電壓為2.4V/m，在場(chǎng)強(qiáng)為7V/m時(shí)的電流密度高達(dá)2.4A/cm2，并且其場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性進(jìn)行觀察，在2h內(nèi)電流只有輕微波動(dòng)，表明其作為場(chǎng)發(fā)射顯示陰極材料的可能性。ZnO作為場(chǎng)發(fā)射材料已取得了一系列有價(jià)值的研究成果，如果通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程來(lái)控制它們的工作電壓，場(chǎng)發(fā)射電流密度，提高其性能穩(wěn)定性，有望應(yīng)用于冷發(fā)射電子槍、平板顯示器等領(lǐng)域。3.電學(xué)性能ParkW.J對(duì)Al2O3基板上生長(zhǎng)的ZnO和Au/ZnO異質(zhì)結(jié)納米棒陣列分別測(cè)量I-V曲線分析，它們均表現(xiàn)出非線性的I-V特征，其中Au/ZnO異質(zhì)納米棒明顯改進(jìn)了電性能，使反向擊穿電壓從-3V提高到-8V。這種非線性的I-V特征使ZnO納米棒在納米二極管、納米光電開(kāi)關(guān)等方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。ZnO一維納米材料在微電子學(xué)和光電器件領(lǐng)域的另外一個(gè)重要的應(yīng)用就是組裝成p-n結(jié)，形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管。NgH.T等利用ZnO納米線陣列垂直組裝出場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這種垂直組裝結(jié)構(gòu)和自下向上集成方法減少制備過(guò)程的復(fù)雜性，可應(yīng)用于高密度的納米存儲(chǔ)和邏輯器件的制備。4.ZnO納米帶的性能2001年，WangZ.L課題組利用高溫固相法首次成功合成了ZnO納米帶狀結(jié)構(gòu)，帶寬30300nm，厚510nm，長(zhǎng)度達(dá)幾毫米，和碳納米管以及Si復(fù)合半導(dǎo)體線狀結(jié)構(gòu)相比，納米帶是迄今發(fā)現(xiàn)具有結(jié)構(gòu)可控且無(wú)缺陷的唯一寬帶半導(dǎo)體準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)，這為ZnO納米帶在性能研究領(lǐng)域開(kāi)辟了更廣闊的前景。ZnO納米帶可成為在納米尺度理解壓電和自發(fā)極化產(chǎn)生的鐵電現(xiàn)象的一個(gè)理想體系，并可能應(yīng)用于一維納米傳感器、共鳴器等。5.摻雜ZnO一維納米材料的性能ZnO作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，摻雜可改變其能帶狀態(tài)，從而改善其電磁性能，各種金屬或非金屬摻雜的ZnO一維納米材料已被合成，并用于結(jié)構(gòu)和性能的研究。如Ga摻雜的ZnO納米線，測(cè)試并分析其紫外光譜增強(qiáng)是因?yàn)镚a摻雜引起的雜質(zhì)散射引起，I-V曲線測(cè)試表現(xiàn)出增大的電導(dǎo)率，并且場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)增強(qiáng)也源于Ga摻雜后的ZnO納米線具有改良的電導(dǎo)性質(zhì)。最近，物理所的WanQ等在Cd摻雜的ZnO納米線觀察到正溫度系數(shù)效應(yīng)，室溫下，摻雜的ZnO納米線在95%的相對(duì)濕度時(shí)電阻增大3個(gè)數(shù)量級(jí)。YiG.C課題組采用分子束外延技術(shù)制備出Ni/ZnO納米棒異質(zhì)結(jié)陣列，這種結(jié)構(gòu)可通過(guò)異質(zhì)層厚度的改變來(lái)調(diào)控磁學(xué)性能由順磁性變化到鐵磁性，從而為ZnO在磁性能領(lǐng)域開(kāi)辟了新的空間。隨后，磁性金屬M(fèi)n摻雜ZnO一維納米材料測(cè)試表現(xiàn)出鐵磁性和低的居里溫度。2.1.3ZnO一維納米材料應(yīng)用研究ZnO一維納米材料結(jié)合ZnO本體性能和納米尺度效應(yīng)而具有獨(dú)特的電、光、磁性能，有望在微電子器件和光電器件中發(fā)揮重要作用，世界各研究組對(duì)其研究很多，但要使ZnO一維納米材料在未來(lái)科技中發(fā)揮重要作用，需要解決的問(wèn)題還很多，對(duì)ZnO納米線不同于本體材料的基礎(chǔ)理論研究，從而更深入理解其結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系，發(fā)展成熟的制備手段是其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。盡管有些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)幾納米尺度材料的組裝，如電子刻印術(shù)和掃描探針技術(shù)，但是這些技術(shù)操作繁瑣，尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段。在應(yīng)用領(lǐng)域，尤其突出的是微電子領(lǐng)域，納米材料的出現(xiàn)為設(shè)備裝置的微型化提供了基礎(chǔ)，但是要使ZnO納米材料獨(dú)特性能得到更充分地發(fā)揮應(yīng)用，還有很長(zhǎng)的一段路要走。2.2ZnO納米材料的新進(jìn)展2.2.1ZnO納米材料制備的新方法對(duì)納米材料的研究首先是側(cè)重于制備方法的研究，隨著研究的不斷深入，近年來(lái)，人們已開(kāi)發(fā)了一系列制備氧化鋅納米材料的新方法，如微波法、靜電紡絲法、離子液體法、脈沖激光燒蝕沉積法、頻磁控濺射法等。1.微波法微波是頻率300MHz-300GHz、波長(zhǎng)1mm-1m的電磁波。1986年，Cedye R等在微波爐內(nèi)驚醒了醋化、水解等化學(xué)反應(yīng)。此后，微波技術(shù)便逐漸滲透應(yīng)用于化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，微波技術(shù)大量應(yīng)用于材料化學(xué)和催化化學(xué)領(lǐng)域，日益顯示其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。利用微波制備納米材料，起步雖晚但進(jìn)展迅速，國(guó)內(nèi)外已有不少這方面的文獻(xiàn)報(bào)道。2.靜電紡絲法靜電紡絲是一種制備納米纖維的技術(shù)，該法可十分經(jīng)濟(jì)地制得直徑為納米級(jí)的連續(xù)不斷的纖維。近年來(lái)，由于對(duì)納米材料科技研究的迅速升溫，靜電紡絲這種可大規(guī)模制備納米尺寸纖維的紡絲技術(shù)激起了人們的廣泛興趣。3.離子液體法離子液體法是采用離子液體作為反應(yīng)溶劑來(lái)制備納米材料。其已表現(xiàn)出許多其他方法不具備的優(yōu)點(diǎn)。Wand W W等應(yīng)用離子液體法（MAIL）在例子液體BMIMBF4中通過(guò)控制適當(dāng)?shù)臈l件，成功合成形狀克控的針狀和花狀的ZnO材料。合成快速（520）min，也不需要品種、表面活性劑和模版劑等。但這種方法還是一個(gè)比較新的方法，尚待進(jìn)一步完善，如：例子液體制備納米材料時(shí)，離子液體的制備時(shí)間較長(zhǎng)目易受到雜質(zhì)的污染；此外離子液體的獲得不如水或常用的有機(jī)溶劑方便，這也限制了它的廣泛使用。4.脈沖激光燒蝕沉積法日本的Okada等脈沖激光燒蝕沉積法成功合成了ZnO的納米棒。他們將純度為99.99%ZnO日標(biāo)物在KrF激光下消融，然后在載氣（O2/He）氣氛下保持一定的溫度進(jìn)行反應(yīng)，最終在Al2O3底物上成功獲得了尺寸為120nm的ZnO納米棒。該方法制備納米粒子無(wú)需經(jīng)過(guò)十燥的過(guò)程、工藝簡(jiǎn)單、團(tuán)聚少，不許其他處理即可獲得十燥粉體。但由于反應(yīng)溫度較高，需要裝置具有承受高溫或高壓的能力，所以設(shè)備比較昂貴。5.頻磁控濺射法Kim等使用Si作為襯底，Zn作為靶材料在一定條件下濺射，首先得到了Zn的納米線，經(jīng)過(guò)氧化進(jìn)一步得到了形貌規(guī)整、分布均勻的ZnO納米線。使用該制備方法獲得的ZnO無(wú)論是結(jié)品質(zhì)量還是光學(xué)性能都很突出。與日前廣泛采用的氣液固催化機(jī)制制備ZnO低維納米材料相比，射頻磁控濺射法需在高溫下進(jìn)行，對(duì)于設(shè)備的要求較高，過(guò)程難以控制。此外，合成氧化鋅納米材料的方法還包括真空熱汽冷凝法、球磨法、熱爆法、脈沖激光沉積法（PLD）、噴霧熱解法等，這幾種方法均可以得到純度高，粒徑和形貌可控的氧化鋅納米材料，但是制備工藝復(fù)雜，或者是設(shè)備比較昂貴。因此，無(wú)論是哪種合成方法都還需要進(jìn)一步的摸索和完善。2.2.2納米ZnO的新應(yīng)用納米ZnO作為一種嶄新的材料，與普通ZnO材料相比，是一種具有特異性能，用途廣泛的多功能超細(xì)材料，而其摻雜后的性質(zhì)又是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，發(fā)展這類新型納米材料，可以應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中去，比如光伏電池、熒光體、氣敏元件、橡膠、涂料、塑料、纖維、陶瓷、玻璃、化妝品、催化劑、藥物、建筑材料、圖像記錄材料、軍事領(lǐng)域等都有著廣闊的應(yīng)用。1.納米氧化鋅用于電池電極ZnO的直接理想帶隙（3.3ev）能傳遞大多數(shù)有效的太陽(yáng)能輻射，所以被廣泛用在太陽(yáng)能電池上。而且由于ZnO膜在氫等離子體上的高度穩(wěn)定性，可很好的替代In和SiO2在無(wú)定性硅太陽(yáng)能電池的傳導(dǎo)電極17。鋅鎳、鋅銀及鋅嗅等鋅基二次電池具有能量密度高，無(wú)環(huán)境污染及原材料資源豐富等特點(diǎn)，幾十年來(lái)一直是化學(xué)電源研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)之一，王建明等用沉淀法制備出具有較高比表面積和高堆積密度，電化學(xué)放電比容量420mA/g的氧化鋅電池電極樣品。研究發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅電池電極的電化學(xué)放電比容量較普通氧化鋅高100mA/g左右。2.納米氧化鋅用于熒光體和電容器納米ZnO是一種在低電壓電子射線下唯一能發(fā)光的物質(zhì)，光色為藍(lán)色和紅色。其能隙為3.2eV，對(duì)應(yīng)于387nm的紫外波長(zhǎng)。當(dāng)納米氧化鋅粒子受到紫外光照射時(shí)，顆粒內(nèi)產(chǎn)生的光電子和空穴將快速地?cái)U(kuò)散到顆粒表面，在表面上；引起復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)氧化鋅顆粒本身也會(huì)發(fā)生一系列反應(yīng)，有熒光現(xiàn)象發(fā)生。Henglein將之歸于“陰離子空位”的生成，Hoffman認(rèn)為是由于被捕獲的電子向已被捕獲的空穴的復(fù)合。陳四海認(rèn)為是Zn2+作為活性中心在氧化鋅顆粒表面的吸附造成了熒光。利用氧化鋅的這一特性可以制備熒光產(chǎn)品。添加了ZnO，TiO2，MnO2等的陶瓷微粉經(jīng)燒結(jié)而成的具有高介電常數(shù)、表面微細(xì)平滑的片狀體，可用于制造陶瓷電容器。3.納米氧化鋅用于氣體傳感器傳感器是超微粒的最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一。ZnO是發(fā)現(xiàn)最早、也是應(yīng)用最多的金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料之一，他是利用納米ZnO隨周圍氣氛中組成氣體的改變，其電學(xué)性能電阻發(fā)生變化，對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)和定量測(cè)定，它的工作溫度較高，氣體靈敏度低但穩(wěn)定性能較好，便于噴涂與質(zhì)量控制，易于極化和轉(zhuǎn)向，表現(xiàn)出比較理想的電特性和動(dòng)態(tài)特性。目前已有利用納米氧化鋅的電阻變化制備的氣體報(bào)警器和濕度計(jì)。納米氧化鋅可作為氣敏元件。溫敏元件、PIT元件、NTC元件 4.納米氧化鋅用于催化劑和光催化劑納米ZnO由于尺寸小，比表面積大，表面的鍵態(tài)與顆粒內(nèi)部的不同，表面原子配位不全等，導(dǎo)致表面的活性位置增多，形成了凹凸不平的原子臺(tái)階，加大了反應(yīng)接觸面。因此，氧化鋅納米催化劑的催化活性和選擇性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其傳統(tǒng)催化劑，其催化速度是普通氧化鋅的1001000倍18。有人預(yù)計(jì)，超微粒子催化劑在下一世紀(jì)可能成為錯(cuò)話反應(yīng)的主要角色。納米ZnO也是一種很好的光催化劑，在紫外光照射下，它能分解有機(jī)物質(zhì)，抗菌和除臭。這一光催化性質(zhì)已被廣泛用于纖維、化妝品、陶瓷、環(huán)境工程等工業(yè)中。在光的照射下，它幾乎不引起光的散射，具有很大的比表面積和寬的能帶，因此被認(rèn)為是極有前景的光催化材料。5.利用納米氧化鋅的生物性能氧化鋅納米材料無(wú)毒、無(wú)味、不分解、不變質(zhì)、穩(wěn)定性好，對(duì)皮膚無(wú)刺激、有收斂、消炎、防皺和保護(hù)等功能，因此氧化鋅納米材料在醫(yī)藥領(lǐng)域常常被添加到藥品中輔助治療，在日用化工及醫(yī)藥領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。6.納米氧化鋅用于圖像記錄材料在不同條件下制得不同形貌的納米氧化鋅具有不同的光導(dǎo)電性、半導(dǎo)體性和導(dǎo)電性等性質(zhì)、利用這種特性，氧化鋅可用作圖像記錄材料，還可利用其光導(dǎo)性質(zhì)用于電攝影，利用半導(dǎo)體性質(zhì)可作放電擊穿記錄紙，利用導(dǎo)電性質(zhì)作電熱記錄紙等。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)二廢公害，畫(huà)面質(zhì)量好，可高速記錄，能吸附色素驚醒彩色復(fù)印，酸蝕后有親水性可用于膠片印刷等。7.隱身技術(shù)雷達(dá)波吸收材料雷達(dá)波吸收材料指能有效地吸收入射雷達(dá)波并使其散射衰減的一類功能材料。氧化鋅納米材料在各種波長(zhǎng)范圍內(nèi)均有吸收，應(yīng)用時(shí)可以選擇吸收的范圍，且由于其質(zhì)量輕、顏色淺、吸波能力強(qiáng)等優(yōu)