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Li掺杂ZnO(AZO)纳米阵列的水热合成

摘要：准一维纳米材料，包括纳米线、纳米棒、纳米针、纳米管、纳米带、纳

米同轴电缆和异质结等是当前纳米材料科学领域的前沿和热点。有序的纳米阵列结构能够合理控制材料的定向生长，进而实现对其尺寸、维度、组成、晶体结构乃至物性的调控，从而有利于在纳米器件中的应用。ZnO纳米线与碳纳米管，硅纳米线被认为是21世纪主要的纳米材料，在光学，光电子学，能源，传感器，关键词: Li掺杂 ZnO 纳米阵列 水热合成 1.1引言

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。由于纳米材料尺寸小，可与电子的德布罗意波长、超导相干波长及激子玻尔半径相比拟，电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间，电子输运受到限制，颗粒、原子团簇。由于这些材料一般具有量子效应，因此二维、一维和零维的纳米材料又被称为量子阱、量子线和量子点。

近十多年来，以碳纳米管为代表的准一维纳米新材料因其特殊的一维纳米结构(纳米管、纳米线、纳米同轴电缆、纳米带等)，呈现出一系列优异的力、光、电、声、磁、热、储氢、吸波等性质，在未来纳米器件领域中具有广阔的应用前景，成为纳米材料家族中一类引入瞩目的群体。然而，和量子阱、量子点的研究相比，准一维纳米材料的研究进展相对较慢，其原因在于准一维纳米材料尤其是结构可控的准一维纳米材料的制备比较困难。尽管一维纳米结构可以利用纳米光刻技术(电子束光刻、结构、组分、形态、大小以及位置等进行人为的控制，从而直接生长出所需的准一维纳米材料和纳米结构。因此，物理、化学合成将成为制备准一维纳米材料的一种十分重要的新途径。对一维纳米材料可控生长技术、表征技术和应用技术的深入研究将会促进纳米科学和技术的发展，有助于发现新的效应，发展新的器件。

ZnO属于带隙较宽( 室温下3.37eV) 的半导体材料, 由于本征缺陷的存在, 使得ZnO往往具有的N 型导电性。与其它传统半导体材料如Si、GaAS、CdS、GaN

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等相比,ZnO具有高的激子束缚能( 高达60meV,远大于GaN 的21~25meV) 、高的击穿强度和饱和电子迁移速率,可用作高温、高能、高速电子器件。另外,ZnO还具有热电效应和化学传感特性[1],在传感器领域有重要的应用[2] 。

纳米

目前来说,制备ZnO纳米结构的工艺方法很多,如物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶2凝胶法、分子束外延法、热蒸发法、阳极氧化铝模板法、水热法等等。这些方法制备的ZnO纳米材料具有非常丰富的结构形貌,如ZnO纳米线、纳米带、纳米环、纳米梳,四脚状纳米ZnO结构等等。相对而言,化学溶液方法比较简单。

1．2 纳米材料的基本性质

纳米材料之所以引起这么大的关注，不仅仅是在尺寸上的缩小，更重要的 是尺寸缩小所带来的独特的性质，主要有： 1．2．1量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。能带论最基本的结果之一是周期性势场中运动的电子的能级形成能带。根据Kubo理论，能级间距和粒子直径有如下关系： 其中

EF=h

2

δ=4EF/3N ∝ 1/ d (1-1)

（3πn）/2m (1-2)

2

2/3

3

式中δ为能级间距，EF为费米能级，N为总导电电子数，v为微粒体积，d为微粒直径，m为电子质量，n为电子密度，h为普朗克常数。对于体材料来说，可以认为包含无数个原子，即导电电子数N一∞，由式1．1可得能级间距δ一O，即对于体材料来讲能级呈连续变化；对于纳米颗粒来讲，由于它往往只包含几个至上百个原子，因此N为有限值，6就不等于零，由此会导致能级发生分裂。当

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能级间距大于热能、光子能量或超导态的凝聚能时，就必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒的磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着明显的不同。 1．2．2表面效应

纳米材料的表面效应是指纳米粒子的比表面积随粒径的变小而急剧增大，使其表的百分数见表1-1。

直径/nm 原子总数 表面原子所占比例/% 1 30 99 2 35 310 420 5100 10 2 62.5×10 3×10 80 40 3×10 2.5×10 20 10 由表1．I可见，对直径大于100 am的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于100 nm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至lg超微颗粒表面积的总和可高达100 m2，构型的变化，同时也引起表面电子自旋构像和电子能谱的变化。 1．2．3小尺寸效应

纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声，光、电、磁、热、力学等热性出现改变而导致新特性出现的现象，被称为纳米材料的小尺寸效应。例如，纳米材料的光吸收明显加大，并产生吸收峰的等离子共振频移；非导电材料的导电性出现；磁有序态向磁无序态转化，超导相向正常相的转变；金属熔点的明显降低等。

1．2．4宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也显示出隧道效应，通常称之为器件，器件便无法工作。经典电路的物理极限尺寸大约为0．259in。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应而制成的新一代器件。 1．2．5库仑阻塞和量子隧穿

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