电子设备在近十年来经历了巨大的转变,从刚性系统到柔性系统,目前正在向可伸缩系统演变。由于其有趣的特性、高热稳定性和化学健壮性,这些器件中使用的主要活性成分大多是单晶纳米线形式的一维无机半导体。这些纳米线表现出特殊的物理和化学性质,这使得它们有着很多的应用,如生物和化学传感器、柔性电路,包括太赫兹探测器,人工电子皮肤传感器、柔性显示和光电设备。


事实上,纳米线的应用归功于几种具有成本效益和大规模生产的合成技术。纳米线合成的主要问题是结构控制,这带来了一些基本的挑战,因为纳米线的机械柔韧性、光学透射率、电学和电子性能都取决于纳米线的展宽比(AR)和表面体积比。


在这一背景下,以Alangadu Kothandan Vivekanandan为首的团队展开了研究,并以“Size-controllable Zinc Oxide nanowires fabricated via the combination of die-casting and oxidation process”为题,于北京时间2020年11月19日发表于Journal of Alloys and Compounds,展示了制备氧化锌纳米线的新型方法


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线


在此,研究者展示了一种简便的方法,利用真空压铸法在阳极氧化铝(AAO)模板的辅助下制备一维ZnO纳米线(NWs)。这种铸造方法使熔融Zn在500℃的高压和温度下均匀地嵌入在AAO纳米膜上。氧化时间和氧化温度的显著影响促进了氧化锌纳米线在AAO纳米通道内的生长。纳米通道内的氧化过程主要受氧原子向内扩散的控制,氧化锌沿表面垂直增长,服从抛物线规律。


TEM和XRD结果表明,ZnO具有沿c轴偏向的纤锌矿晶结构。通过显微和光谱分析,证明了氧化锌几何形状与氧化参数函数之间的关系。化学腐蚀得到的ZnO NWs晶体高、均匀、高纵横比,且与AAO孔隙尺寸有关。


此外,通过FIB制造的单纳米线器件,在四电极体系中测量了制备的ZnO NWs的电学性能。所得到的电流-电压特性曲线由于空间电荷限制电流效应而呈现出磁滞回线,证实了其在实际电子应用中的潜力。


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线


本工作对AAO模板辅助真空压铸法制备结晶ZnO NWs进行了系统的研究。通过电子显微镜和光谱分析验证了NWs的理化性质。通过优化参数,对四电极体系中制备的单晶ZnO NW器件的电学性能进行了评价。


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线

图1所示。阳极氧化处理后制备的AAO模板的俯视图,

(A)和(B)表示六边形细胞排列,(C)制备的AAO的横截面方向。


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线

图2所示。利用VDC过程(C) AAO模板的横截面图,

在AAO模板上嵌入了(A和B)放大倍数下的SEM图像,

证实了在高纵横比纳米通道深处检测到的Zn。

(D)氧化ZnO NWs与AAO模板的SEM图像和(E & F)氧化ZnO NWs的元素映射,

显示出Zn和O。


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线

方案1。介绍了利用AAO模板辅助真空压铸法制备ZnO NWs的具体方案。


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线

方案2。锌/AAO模板的氧化机理。


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线

图3所示。(A) ZnO NWs长度的校准图随氧化时间的变化,

(B-D)不同氧化时间的SEM显微图与ZnO NWs长度有关,

(E)清晰光滑的ZnO NWs的均匀性。


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线

图4所示。(A)柱状的ZnO NW晶体的TEM图像(B) ZnO NW

(C & D) HR-TEM和IFFT相对应的SAED模式产生的ZnO NWs图像

(E) TEM观察到的代表ZnO NWs纯度的EDS。


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线

图5所示。(A) AAO模板、ZnO/AAO模板和ZnO NWs得到的XRD和(B)拉曼图谱。


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线

图6所示。(A) ZnO NWs器件制作示意图

(B) ZnO NW与铂电极连接在Au图案Si衬底上的SEM图像。


科学家采用压铸和氧化相结合的方法制备了尺寸可控的氧化锌纳米线

图7所示。

(a)在电位范围-1到1 v的四个电极上测量了不同长度的ZnO纳米器件的IV曲线。

(b)与EFS和EFM相关的势垒高度导致的耗尽区正向和反向偏置示意图。


空间电荷限制电流(SCLC)效应在NW半导体材料中广泛存在,其主要原因是电荷捕获;(i)存在于材料内部的缺陷和(ii)表面上的吸附剂。通常,当半导体材料的尺寸减小时,由于材料的缺陷较弱,电荷的捕获量也会减小。


此外,SCLC效应在NWs中的主要影响体现在其表面的吸收剂上。在化学吸附过程中,氧吸附在ZnO NW表面,形成捕获自由电子的耗尽层,强烈影响NW的电导率。结果表明,随着NWs长度的增加,电荷捕获导致的电流减小。通过调谐ZnO NWs长度,可以优化纳米器件的导电性。


采用阳极氧化铝(AAO)模板辅助真空压铸法制备了ZnO NWs 1D晶体。在浇注温度为500℃时,功能化可以使Zn在AAO模板上均匀积累。通过优化氧化温度和时间等氧化参数,研究者可以精确地控制氧化锌NWs在AAO纳米通道内的生长。


从溶解过程中得到了高纯度、均匀的ZnO NWs,并通过TEM、FE-SEM、x射线衍射和拉曼光谱分析对其理化性质进行了测定。此外,通过空间电荷限制电流效应确定了ZnO NWs长度与电性行为的关系。


总的来说,通过真空压铸法制备的氧化锌纳米线(ZnO NWs)具有高纯度和均匀性,可用于潜在的电子应用。


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838820343280



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