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表面活性剂下制备ZnO纳米棒的介绍

表面活性剂下制备ZnO纳米棒的介绍

摘要：ZnO纳米材料因其优良的物理化学性质在在各个方面都广

泛的应用。本文介绍了在低温水溶液中，使用表面活性剂能成功合成

单分散的ZnO纳米棒。这种方法不需要高温煅烧，添加表面活性剂例

如水合联氨和油酸钠就能合成六方晶相纤锌矿结构的ZnO粉末。本文

主要对ZnO纳米棒的结构和构型、晶体生长机理进行综述。

关键词：ZnO纳米棒表面活性剂晶体生长机理

引言

目前，ZnO在紫外探测器、紫外半导体激光器、透明导电薄膜、

ZnO异质结、场发射、液晶显示和稀磁半导体等方面具有广泛的应用

前景，使得ZnO成为继氮化镓、碳化硅之后光电子技术中的又一热点

研究领域[1]。区别于传统大尺寸材料，低维度的ZnO纳米材料如纳米

线、纳米棒和纳米带，具有很多良好的物理化学性能。它因为具有优

良的介电、铁电[2,3]、压电、热电性能，所以在光催化、化学传感器、

记忆电阻器和光电方面有广泛应用，。此外，宽的禁带宽度

（3.37eV）、高激子束缚能（60meV）和高表面体积比[4,5]使一维

（1D）ZnO纳米晶体被公认为一种在紫外区[6]的光子材料。

因此，合成不同形态和尺寸的一维ZnO纳米结构在基础理论研究

和新型设备发展当面具有重大发展意义[7,8]。到目前为止，合成ZnO

纳米材料的方法主要有水热法[9]、模板法、溶胶凝胶法[10]、气固液

相生长法、金属有机气相外延生长法、磁控溅射法[11]、电化学沉积

法等[12]。液相法处理温度低、成本低、效率高和具有扩大生产潜力。

为了得到分散的纳米粒子，表面活性剂往往起着重要的作用。因为晶

体生长过程中，溶质的扩散过程是晶体形成速率的控制步骤，而表现

活性剂可以减缓溶质在晶核表面的扩散速度。此外，表面活性剂可以

均匀地吸附在晶体表面作为形状主导者[13]。

1纳米棒的结构和构型

通过酸性、中性、碱性条件下对比实验，得出碱性条件为形核的

重要因素；通过分析不同水热时间ZnO纳米棒的形核和长大过程，实

验得出60℃碱性条件下，ZnO纳米棒的表观生长速率约为0.7μm/

h，表观形核时间约为3min；光催化活性随着水热时间的增加而增强

[14]。六方ZnO晶体具有极性和非极性面，与非极性面相比，表面偶

极子的极性面是热力学不稳定面，往往具有最快的生长速度，经常通

过重新组合以缩小它的表面能。在水热体系中，ZnO各个晶面因为具

有不同的表面能，所以表现出了不同的生长速率，最终导致沿[001]方

向有明显的择优化生长[15,16]。

实验结果发现，表面活性剂及其浓度对所得的ZnO纳米结构的形

貌和粒径分布有很大的影响。添加油酸钠和水合联氨可以得到单分散

的ZnO纳米结构，但ZnO纳米棒的纵横比随着油酸钠和水合联氨用

量的增加而降低。水合联氨对ZnO纳米粒子的形成有重要的作用，表

现在，在联氨与晶面之间有一个很强的电子基双齿配体相互作用，它

限制了晶体的生长[17]。油酸钠包覆在ZnO纳米结构的表面也阻止了

颗粒的聚集。最后，才得到了单分散的ZnO纳米棒。

2纳米棒的生长机理

众所周知，以液相法工艺制备纳米产物，其纳米微粒的形貌和尺

寸要受其结晶习性的影响与控制[18]，而这种结晶习性又受到环境相

和生长条件的制约。纳米粒子生长过程中首先要具有各向异性，才可

能得到一维纳米结构。在适宜的合成环境中。有机添加剂就能凸显其

对产物形貌的调控作用。一般说来，功能有机分子对无机氧化物纳米

颗粒形貌的调控作用是通过与无机离子配位或吸附在晶核表面使颗粒

晶面能和各晶面生长速率发生变化而导致颗粒形貌的改变。通常含有

N、S、O等官能团的有机分子对无机氧化物都有一定的亲和力。从而

具有改性作用。此外，这些官能团由于能通过氢键、电荷吸引或化学

吸附等多种方式与无机氧化物颗粒表面发生作用，而且经后续高温热

处理后不会留下杂质，因此具有潜在的理论与应用价值[19,20]。

生长基元在晶核上定向生长促使纳米棒的形成。在ZnO纳米棒的

生长过程中，表面活性剂所起的作用是多重的，它对于ZnO