Синтез ZnO тетраподов в непрерывном процессе для их применения в электронике

Рис 1

Рис.1. Изображение тетраподов ZnO (просвечивающий электронный микроскоп).

В последние годы оксид цинка (ZnO) привлекает широкое внимание ученых всего мира. В первую очередь это обусловлено его уникальными оптическими, пьезоэлектрическими и магнетными свойства, а также возможностью настройки ширины запрещённой зоны. Наноструктуры ZnO отличаются своим многообразием и представляют собой широкий спектр продуктов с довольно экзотическими формами: нанопроволока, наноленты, нанонити, наноногти, нанотрубки, нанооболочки, тетраподы. Последние являются одними из наиболее выразительных структур с множеством перспективных применений в солнечных элементах, лазерах, полевых излучателях, датчиках УФ и газа.

ZnO тетраподы – конструкции из 4-х отдельных нанонитей, связанных воедино (рис.1). Тетераподы формируются при весьма специфических условиях и обладают рядом физических преимуществ: порошок представляет высокопористую структуру, обладающую высокой механической и антивибрационной стабильностью. Именно по этой причине конструкции из бетонных тетраподов применяются в прибрежном проектировании для снижения воздействия морских волн.

Рис 2

Рис.2. Фотография прозрачного и гибкого УФ датчика на основе ZnO тетраподов и однослойных углеродных нанотрубок.

Несмотря на разнообразие методов получения, ZnO нанонити производятся только в лабораторных масштабах. Получение материала в малых количествах значительно ограничивает его применение. Единственной возможностью получения этого материала в больших объемах является жидкостный химический процесс. Тем не менее, недостаток контроля над структурой и высокая концентрация дефектов, обусловенных низкой температурой синтеза, значительно ограничивают применимость этого метода.

Ранее исследователи из университета Аалто (Финляндия) изучали процесс получения ZnO тетраподов путем простого окисления чистого металла в окружающем воздухе и предложили применение этого материала в прозрачных гибких сенсорах (рис.2). К сожалению, метод позволял получить лишь небольшое количество ZnO нанонитей. Дальнейшая работа была направлена на изучение механизма роста тетраподов и упрощение процессов их получения.

Рис 3

Рис.3. Схеаматическое представление механизма роста тетраподов оксида цинка.

Недавно группа ученых, возглавляемая проф. Альбертом Насибулиным из Сколковского института науки и технологий в сотрудничестве с исследователями из Кемеровского Государственного Университета, университета Аалто и Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета (Россия) разработала метод получения тетраподов ZnO в непрерывном процессе и приблизилась к массовому производству и обширному применению ZnO нанонитей.

Для непрерывного производства тетраподов ZnO в граммовых количествах в лабораторных условиях исследователи предложили использовать простой метод сжигания цинковой (Zn) пудры, взвешенной в воздухе. Полученные структуры тетраподов показали довольно стабильную геометрию в широком диапазоне экспериментальных условий. Как было показано на основе термодинамического анализа, это обясняется условием горения частиц, которое после инициирования пламени мало зависит от окружающих условий (рис.3).

Рис 4

Рис.4. Изображение тетраподов ZnO, покрытых золотыми наночастицами (растровый электронный микроскоп).

Как уже отмечалось, порошок теетраподов ZnO имеет высокую пористость и потому является перспективным материалом, где требуется максимально развитая поверхность. Наноструктуры ZnO покрытые золотыми наночастицами (рис.4) можно использовать в солнечных элементах для улучшения поглощения света, для повышения чувствительности в фотодетекторах, для улучшения фотолюминесцентных свойств или для фотоэлектрохимического разложения воды. Для достижения высокой эффективности очень важно, чтобы Au наночастицы были неподвижны на поверхности и не собирались в большие кластеры.

Обнаружение радиоактивного излучения, разработка методов визуализации в медицине, а также физика высоких энергий – это те области науки, в которых проявляется максимальный интерес к ZnO. Как было показано, тетраподы ZnO могут быть использованы для создания сцинтилляторов, т.е. в качестве детекторов радиации высоких энергий, за счет своих оптимальных физических свойств (суб-наносекундного времени затухания возбуждения и высокой световой отдачи). Полученные результаты были недавно опубликованы в научном журнале The Journal of Physical Chemistry C 2015, 119 (28), 16366–16373.

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK