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ZnO纳米线的研究进展
摘要：ZnO纳米线是很重要的准一维纳米材料。本文主要介绍 ZnO纳米线的合成、结构
分析、特性和应用。首先，本文讨论了纳米线合成步骤的设计以及分别通过气相和化学生长 方法合成纳米线。其次，本文描述了 ZnO纳米线独特的光电性能和气敏特性。最后，本文
对一些使用纳米线制作的新器件和应用进行了跟踪报道，如超灵敏的化学生物纳米传感器， 染料太阳能电池，发光二极管，纳米激光器等。
引言 在纳米技术领域，最引人注目并且最具代表性的一维纳米结构主要有三种：碳 纳米管、硅纳米线和 ZnO纳米线/纳米带。ZnO作为一种优良的纳米材料，已经引起人们很 大的兴趣。 ZnO作为一种重要的半导体材料，在光学、光电子学、能源、生物科技等方面
有广泛的应用（图1）［1］。它所展现出的丰富的纳米结构形态，是其它材料无法比拟的。
Optlcz & optoelectronic8h
-Wide (- UV iMing
-Visible light transparent
-Room temperature and high temperature luminescent material (e h binding energy * 60 mov)
Senson and actuators：
-Piezoeiectricuty {especially for high frequency)
・ Pyro«l«ctricjty
Energy：
-Photocatatys4s for producing from H,Q
-Conversion of mechanical energy
團1
8i0m«dicat：
Biocompatible
-Biodegradable
Non toxic
Spintronics:
Mn d0p0Ci ZnO： type ferrorrwgnetic semiconductor
-Charge ejector
Proc^fisibility；
-Structural ?nd property controltablltty
-Easy to synthesh (chemical approach - 70°C; VLS or VS at -500°C}
-Easy to Integrate with Si based microelectronics
-Clean-room compatible
2n0特性和应用的概裳丄
图1 ZnO特性和应用的概要［1］
ZnO的晶体结构 通常情况下，ZnO具备纤锌矿结构，其晶胞为六角形，空间群为C6mc,
晶格常数为a = , c = 。O2-和Zn2+构成正四面体单元，整个结构缺乏中 心对称。ZnO的结构可以简单描述为：由 O2-和Zn2+构成的正四面体组成的大量交互平面，
沿c轴叠加形成的，如图 2所示［2］。
图2 ZnO的纤锌時构［习
图2 ZnO的纤锌矿结构［2］
ZnO纳米线的合成 氧化物纳米结构的合成主要通过高温下的物理气相生长途径和低温
下的化学途径。
VLS生长 纳米线可以应用于制作激光器、发光二极管及场效应晶体管。 ZnO纳米线
生长需要用到基底和晶体颗粒。大规模优良的垂直 ZnO纳米线阵列最早生长在（
1120）晶面取向的蓝宝石基底上， 其中用Au纳米颗粒做催化剂［3］。 不像通常的VLS过程， 纳米线阵列的生长需要适当的生长速率， 因为催化剂需要是熔融态，并且构成合金，从而一
步步凝结，最后在蓝宝石表面上完成外延生长。 因此，需要相对较低的生长温度来减小气体
浓度。把ZnO和石墨粉末混合在一起，也就是碳热蒸发，可以把气化温度从 1300 C降低到
900 C。生长在蓝宝石基底上的 ZnO纳米线阵列的典型形态如图 3所示，所有的纳米线都垂
直于基底表面。
團3垂直生长的ZnO纳米线的SEXI團像（30*倾料角）［3］
图3 垂直生长的ZnO纳米线的SEM图像（30o倾斜角）［3］ 通过VLS方法,ZnO纳米线阵列已经可以在蓝宝石、 GaN、AIGaN和AIN基底上成功生长［4］。
这里基底的晶体结构对纳米线生长的取向影响很大。基底表面和 ZnO纳米线之间的外延关
系决定了纳米线是否成阵列生长以及是否成直线生长。 在蓝宝石和氮化物基底上成功生长出
纳米线阵列，可以归因于基底和 ZnO之间的晶格失配很小。而纳米线的质量由很多其他因
素控制，主要归纳于三个方面：环境压强、氧分压 ［5］和催化剂薄层的厚度［6］。其中氧分压
和系统总压强在 ZnO纳米线生长过程中起着关键作用。