Войти
Оксид цинка (ZnO) наноструктуры представляют собой структуры по крайней мере с одним размером в нанометровом масштабе, состоящие преимущественно из оксида цинка. Они могут быть объединены с другими композитными веществами для изменения химического состава, структуры или функции наноструктур с целью использования в различных технологиях. Многие различные наноструктуры могут быть синтезированы из ZnO с использованием относительно недорогих и простых процедур. ZnO представляет собой полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной, равной 3,3 эВ, и имеет потенциал для широкого использования в наномасштабе. ZnO наноструктуры нашли применение в экологических, технологических и биомедицинских целях, включая сенсибилизированные красителем солнечные элементы, литий-ионные батареи, биосенсоры, n анолазеры и суперконденсаторы. Продолжаются исследования по синтезу более продуктивных и успешных наноструктур из ZnO и других композитов. Наноструктуры ZnO - это быстро развивающаяся область исследований, в течение 2014-2019 гг. Было опубликовано более 5000 статей.
ZnO создает одну из самых разнообразных наноструктур, и существует большое количество исследований по различным способам синтеза различных наноструктур ZnO. Наиболее распространенными методами синтеза структур ZnO является использование химического осаждения из паровой фазы (CVD), которое лучше всего использовать для формирования нанопроволок и гребенчатых или древовидных структур.
Методы синтеза наноструктур ZnO, изображающие (a) Метод пар-твердое тело (b) Метод пар-жидкость-твердое тело (c) Электроосаждение (d) Водный раствор В процессах парофазного осаждения цинк и кислород переносятся в газообразном состоянии. образуются 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. 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.
В процессах осаждения из паровой фазы также могут использоваться катализаторы, способствующие росту наноструктуры. 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. Жидкий сплав, включающий 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, когда 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.
Большое разнообразие наноструктур ZnO также могут быть синтезированы выращиванием в водном растворе, что желательно из-за его простоты и низкой температуры обработки. Затравочный слой ZnO используется для начала равномерного роста и для 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. Изменение ростового раствора и его концентрации, температуры и структуры затравочного слоя может изменить морфологию синтезированные наноструктуры. 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.
Другой метод синтеза наноструктур ZnO - это электроосаждение, при котором для облегчения химических реакций и осаждения на электродах используется электрический ток. Его низкая температура и способность создавать структуры точной толщины делают его дорогостоящим. - эффективный и экологически чистый метод. Таким образом были синтезированы структурированные наноколоночные кристаллы, пористые пленки, тонкие пленки и ориентированные проволоки. Качество и размер этих структур зависят от заканчивается на подложках, плотности тока, времени осаждения и температуре. 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.
ZnO имеет богатый дефект и химический состав легирующей добавки, которые могут значительно изменить свойства и поведение материала. Легирование наноструктур ZnO другими элементами и молекулами приводит к разнообразию характеристик материала, поскольку добавление или вакансия атомов изменяет уровни энергии в запрещенной зоне. 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. Было обнаружено, что носители, созданные легированием, значительно превосходят собственные дефекты. 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 возникают глубокие выбросы, влияющие на характеристики материала.
ZnO может занимать несколько типов решеток, но часто встречается в гексагональной вюрцитной структуре. 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, даже когда решетка находится на наномасштабе. 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. Как кислородные вакансии, так и межузельные частицы Zn увеличивают количество электронных носителей заряда, таким образом становясь полупроводником n-типа. Поскольку эти дефекты возникают естественным образом как побочный продукт процесса синтеза, создавать наноструктуры ZnO p-типа сложно.
Дефекты и легирующие примеси обычно вводятся во время синтеза наноструктуры ZnO, либо контролируя их образования или случайно полученный в процессе выращивания из-за загрязнения. Поскольку контролировать эти процессы сложно, дефекты возникают естественным образом. Легирующие примеси могут диффундировать в наноструктуру во время синтеза. Альтернативно, 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 обратно в решетку. При температурах, когда решетка подвижна, молекулы кислорода и промежутки могут перемещаться с помощью электрических полей, чтобы изменить природу материала.
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 получить различные электрические характеристики и характеристики материала. Например, оптические свойства ZnO могут изменяться из-за дефектов и примесей. Ферромагнитные свойства могут быть приданы наноструктурам ZnO путем легирования элементами переходных металлов. Это создает магнитные полупроводники, которые находятся в центре внимания спинтроники.
Наноструктуры ZnO могут использоваться для множества различных приложений. Вот несколько примеров.
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. Это связано с тем, что синтез наноструктуры легко контролировать, он имеет более высокие свойства переноса электронов и можно использовать органический материал в качестве переносчика дырок, в отличие от случая, когда TiO 2 является материалом фотоанода. Исследователи обнаружили, что структура наноструктуры ZnO влияет на производительность солнечных элементов. У использования наноструктур ZnO также есть недостатки, такие как так называемая утечка напряжения, которая требует дальнейшего изучения.
Перезаряжаемые литий-ионные батареи (LIB) в настоящее время являются наиболее распространенным источником питания. 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).
ZnO расширяется в объеме во время технологических процессов, что приводит к потере электрического отключения и снижению емкости. Решением может быть легирование различными материалами и разработка 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 успешными исследования в синтезе таких композитных наноструктур ZnO с углеродом, графитом и другими оксидами металлов.
Другим широко используемым устройством для накопления энергии являются суперконденсаторы (SC). СК 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 устройства хранения энергии. Это связано с его более высокой стабильностью, удельной мощностью и общей производительностью. Из-за своей замечательной плотности энергии 650 А · г и электропроводности 230 см ZnO признан материалом электродов с большим потенциалом. Тем не менее, он имеет плохую электропроводность, так как его небольшая площадь поверхности ограничивает емкость. Как и в случае с батареями, многочисленные комбинации углеродных структур, графена, оксидов металлов с наноструктурами ZnO улучшили емкость этих материалов. Композит на основе ZnO имеет не только лучшую удельную мощность и плотность энергии, но также более экономичен и экологичен.
Уже было обнаружено, что ZnO наноструктуры 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. Продолжаются исследования, чтобы увидеть, можно ли использовать наноструктуры ZnO для биоимиджинга. Пока что он был протестирован только на мышах и показал положительные результаты. Кроме того, наноматериалы ZnO уже используются в косметических продуктах, таких как кремы для лица и солнцезащитные кремы
Однако еще не ясно, какое влияние наноструктуры ZnO оказывают на клетки человека и Окружающая среда. Поскольку используемые биосенсоры ZnO в конечном итоге растворяют и высвобождают ионы Zn, они могут абсорбироваться клетками, и местный эффект от этого еще не известен. Наноматериалы в косметике со временем вымываются и попадают в окружающую среду. Из-за этих неизвестных рисков необходимо провести больше исследований, прежде чем ZnO можно будет безопасно применять в биомедицинской сфере.
