氧化锌纳米线阵列外文翻译的中英文
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传感器技术手册Sensor Technology Handbook作者:Jon S. Wilson起止页码:563--588出版日期(期刊号):2005出版单位:Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, UK外文翻译译文:第21章可使用纳米技术的传感器:可能性,可实现性,应用性这篇文章经允许使用,由传感器杂志在2003年11月重印。
如果你是制造或者使用传感器,那么你的企业将可能感受到现在和未来纳米技术发展所带来的影响,它是小规模技术中一个非常有前途的新的分支,它在运算中的计量单位是:毫微米或0.001微米。
纳米技术通过对原子和分子规模的物质的控制,可以使我们创造出有用的材料,设备和系统,并且还可以去探索新奇的性质和现象。
考虑到大多数化学和生物传感器,和物理传感器一样,都是以在这些层面上所产生的相互作用为依靠,这时你会产生一种想法:在传感器世界里,纳米技术将会起作用。
这种趋势趋向于小的事物,它由大技术的小型化开始,这导致了现如今微型技术所确定下来的领域。
电子的,光学的,机械的微型机术已经得益于它们的更小,更灵敏和花费更少的传感器,这是由使用IC卡,光纤,其他微光和MEMS(微电子机械系统)工作引起的。
当我们继续使用这些小架构模块工作,将会有一个纳米技术,生物技术,信息技术,还有其他一些技术的集合,在各自的规则内获益。
实质上,更小的尺寸,更轻的重量,更低的功率需求,更大的灵敏度和更好的准确性只是我们在传感器设计上将看到的一点小的提高。
纳米传感器在许多工业上,在交通,通信,建筑设施,医药,安全,国家安全,还包括领土防御,军事训练上都有应用。
考虑到纳米线路传感器可以检测化学和生物物质,将纳米传感器放置在血细胞中来检测宇航员所受到的早期辐射伤害,纳米壳检测和化解掉肿瘤。
许多新兴的公司在一开始就已经开始从事这些设备的发展。
对纳米技术的投资在1997年到2003年间增长了超过5个百分点,并且还在持续增长中。
太阳能电池的量子效率是指太阳能电池的电荷载流子数目与照射在太阳能电池表面一定能量的光子数目的比率。
因此,太阳能电池的量子效率与太阳能电池对照射在太阳能电池表面的各个波长的光的响应有关。
外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE),太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表面的一定能量的光子数目之比。
内量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE),太阳能电池的电荷载流子数目与外部入射到太阳能电池表面的没有被太阳能电池反射回去的,没有透射过太阳能电池的,一定能量的光子数目之比。
硅纳米线太阳能电池基于硅纳米线太阳能电池的金属箔进行了阐述【foil - 铝箔】。
此类设备的主要优点是讨论,通过光的反射率,电压,电流和外部量子效率数据一个单元的设计,采用薄非晶硅层上沉积形成的纳米线阵列P - N结。
一个有前途的1.6 mA/cm2的电流密度为1.8平方厘米电池获得,并广阔的外部量子效率测定的最大值为12%,在690纳米。
“。
2007年美国物理研究所。
近年来,一直存在一个显着的,复活在可再生能源系统的兴趣。
太阳能转换特别感兴趣,因为是丰富的源。
今天的绝大多数鈥檚商业太阳能电池模块是基于晶体硅,但有越来越多的薄膜的兴趣,所谓的第二代太阳能电池,以及第三代高效率/低成本太阳能电池,一些需要使用的纳米结构的概念。
基于纳米线净重的太阳能电池是一种很有前途的阶级由于几个性能和光伏太阳能设备处理启用的利益,包括直接路径这样的几何形状所带来的电荷传输纳米结构。
【photovoltaic - 光伏】纳米线和纳米棒,定义中的应用这里有宽高比5:1太阳能电池已试图在几个设备的配置和材料系统。
纳米线/棒功能的太阳能电池的最新展示已主要基于有机-无机混合材料或利用,如化合物半导体硒化镉。
黄长发等人。
作为electronconducting利用的CdSe纳米棒层孔导电聚合物基太阳能电池和生产效率AM1.5照射的1.7%。
氧化锌纳米结构的压电性能研究作者:张跃林沛闫小琴,等来源:《新材料产业》 2014年第10期文/ 张跃林沛闫小琴廖庆亮丁一北京科技大学一、氧化锌(ZnO)半导体材料作为典型的第3代半导体材料,半导体氧化锌(Z n O)激子结合热能高达60m e V,远大于室温下的热能(26meV)。
这样,ZnO可以通过激子-激子散射的方式实现受激发射,这种模式比半导体中通常采用的电子-空穴等离子体的受激发射模式的阈值低2个量级以上。
因此与Ⅲ族氮化物相比,Z nO其在固态照明、短波长半导体激光和紫外光电探测等领域有明显的优势,已经成为目前半导体研究领域中的热点。
然而,目前这些研究主要集中在Z n O的光学性能方面,其压电性能往往受到人们的忽视。
常见的Z n O结构中,锌(Z n)与氧(O)之间通过s p3杂化形成4个等价原子轨道,形成4面体配位构型,使得ZnO具有压电特性。
当电中性的4面体结构受外力作用时,正负电荷中心偏移,产生电极化现象,沿着应力方向产生符号相反的电荷富集现象,形成压电电势,当外力撤出后,晶体又恢复到电中性的状态。
此外,Z n O的压电效应也是所有4面体构型的半导体中最为显著的,与Ⅱ-Ⅵ族其他纤锌矿结构的化合物如硫化锌(ZnS)、硒化镉(C d S e)相比,Z n O的压电张量系数至少是它们的2倍。
2006年,美国佐治亚理工学院的王中林教授利用Zn O的压电效应制成了世界上最小的纳米发电机,为解决纳器件系统的供电问题提供了新的思路。
利用Z n O力电耦合的性能构建的传感器,可以测到1个n N的力。
因此,Z n O在机-电耦合体系如微机电系统、纳机电系统、传感、信号处理以及通讯等方面具有广阔的应用前景。
虽然距离氧化锌的器件应用还有相当一段漫长的道路,但氧化锌材料在微纳能源收集和探测器件上的优势已经逐渐凸显出来。
二、纳米压电发电机在全球变暖和能源危机日益严峻的形势下,对于绿色可再生能源的探索成为维持人类文明可持续发展最为紧迫的挑战之一。
第 27卷第 7期 2006年 7月半导体学报C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICOND U C TO RSVol. 27 No. 7J uly ,20063国家重点基础研究发展规划 (批准号 :2001CB 610503 , 国家自然科学基金 (批准号 :50202002, 60471007, 60231010, 90206048 和北京市自然科学基金 (批准号 :4032012, 4042017 资助项目通信作者 . Email :jlwu@p ku. edu. cn 2005211207收到Ζ2006中国电子学会Z nO 纳米线的气相沉积制备及场发射特性3张琦锋 1戎懿 1陈贤祥 2张耿民 1张兆祥 1薛增泉 1陈长琦2吴锦雷 1,(1北京大学信息科学技术学院 , 北京 100871 (2合肥工业大学机械与汽车工程学院 , 合肥 230009摘要 :运用气相沉积方法分别在硅片表面和钨针尖上制备了非取向生长的 ZnO 纳米线 , 并通过场发射显微镜研究了纳米线样品的平面场发射特性和针尖场发射特性 . 结果显示 , 非取向生长的ZnO 纳米线薄膜场发射的开启电压和阈值电压所对应的场强分别为 417和716V/μm , 场增强因子达 103量级 , 具有较阵列生长的 ZnO 纳米线更为优异的场发射能力 . 非取向生长 ZnO 纳米线薄膜场发射能力的增强归因于其所具有的稀疏结构避免了强场作用下屏蔽效应的产生 , 有效地提高了薄膜场发射的电流密度 . 将ZnO 纳米线组装在钨针尖上能够明显地改善针尖的场发射性能 , 在超高分辨显微探针领域具有良好应用前景 .关键词 :ZnO ; 纳米线 ; 气相沉积 ; 场发射 PACC :7360L ; 8115H ; 7970中图分类号 :O 462文献标识码 :A 文章编号 :025324177(2006 07212252051前言一维纳米材料 (如碳纳米管和半导体纳米线等的单元结构尖端具有几到几十纳米的极小的曲率半径 , 在一定阳极电压的作用下可以在尖端获得足够强的电场强度而产生场致电子发射 . 已有大量文献报道了碳纳米管和各种纳米线的场发射特性[1~7], 其中 ZnO 半导体纳米线具有热稳定性好、结构易控和成本低廉等优点 , 近年来以该种材料构造场发射体的研究颇受人们关注 . L ee 等人 [6]较为系统地研究了生长在 n 型硅衬底表面的 ZnO 纳米线阵列的场发射特性 , 指出 ZnO 纳米线阵列场发射开启电压对应的场强为610V/μm , 相应的发射电流密度为 011μA/cm 2, 并进一步指出在强度为1110V/μm 的电场作用下纳米线阵列的场发射电流密度可达 1mA/cm 2, 计算所得的场增强因子约为 847(Lee 等人在计算过程中所取的 ZnO 的功函数为 513eV , 这样一个场发射性能足够提供平面显示器件所需的亮度 , 因此认为 ZnO 纳米线阵列在场发射平面显示器件领域具有良好的应用前景 .本文运用化学气相转移沉积法制备 ZnO 纳米线 , 并利用场发射显微镜 (FEM 分别对非取向生长的 ZnO 纳米线的平面场发射特性和针尖场发射特性进行了实验研究 , 揭示了 ZnO 纳米线薄膜及组装在钨针尖上的 ZnO 纳米线所具有的优异的场发射性能 , 为 ZnO 纳米线材料在平面显示器件及电子显微探针等领域的实际应用提供了新的思路 .2样品制备与表征2. 1 Z nO 纳米线的气相沉积制备用于生长 ZnO 纳米线的气相沉积系统由气源、温度可控的管式高温电炉 (控温精度 :±5℃和真空泵 (真空度优于 1×10-3Pa 等三部分组成 , 其结构如图 1所示.图 1用于生长 ZnO 纳米线的气相沉积系统结构示意图Fig. 1 Chemical vapor deposition system for the growth of ZnO nanowiresZnO 纳米线的制备采用真空化学气相转移沉积法 , 其工艺流程如下 :半导体学报第 27卷(1 在经超声清洗的硅片或钨针尖表面真空蒸发沉积一层厚度约 20nm 的 Au 膜作为催化剂 ;(2 将摩尔比为 1∶ 1的 ZnO 和石墨粉末混合物放入水平穿过管式电炉的石英管中心温区处 , 如图 1中“ 反应物” 所示位置 ; 再将镀有 Au 膜的硅片或钨针尖放入石英管中与“反应物” 相距约 20cm 处 , 如图 1中“ 基底” 所示位置 ; 然后将系统抽真空至 ~310×10-1Pa ;(3 向系统中充入高纯 Ar 气 (纯度 >991999% , 流速为 25~30mL/min , 并调节出气端阀门使腔室内的压强维持在约 40kPa ;(4 以 15℃ /min 的速度使腔内中心温区处的温度升至 920℃ , 并保温 30min ;(5 保温结束后 , 自然降温至 400℃时关闭 Ar 气源 , 并使系统维持在真空状态下继续降温 ; 至室温后将系统暴露大气 , 取出样品 .所得样品在硅片表面呈现出亮灰色 .在上述制备过程中 , 步骤 (2 中将摩尔比为 1∶ 1的 ZnO 和石墨粉末混合物放入石英管中心温区处是为了达到在温度大于 880℃时通过碳热还原反应产生 Zn 蒸气的目的 ; 图 1中“基底” 所示位置处的温度经由热电偶标定 , 当中心温区的温度达 920℃时该处的温度在 450~550℃范围 . 2. 2样品表征及分析利用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜和 X 射线衍射仪 , 对生长在硅片表面的 ZnO 纳米线进行了形貌、结构、及成份的表征 .图 2所示为 ZnO 纳米线的扫描电子显微镜形貌像 (SEM . 可以看到 , ZnO 纳米线在硅片表面密集生长 , 单根纳米线呈现出较好的线性 ; 纳米线的平均直径约为 10nm , 长度可达 2~3μm. 图 3所示为 ZnO 纳米线的电子能量散射谱 (EDX , 表明所得 ZnO 纳米线只含有 Zn 和 O 两种元素 , 且 Zn ∶ O 原子比为 1∶ 0194.图 2 ZnO 纳米线的 SEM 像Fig. 2 SEM image of ZnOnanowires图 3 ZnO 纳米线的 EDX 谱Fig. 3 EDX spectrum of ZnO nanowires为了确证 ZnO 纳米线的结构 , 我们对所得 ZnO纳米线样品进行了 X 射线衍射 (XRD 分析 , 结果如图 4所示 . 经与标准谱图对照 , 可以知道形成纳米线的 ZnO 为六方纤锌矿结构 , 即 O 2-作六方紧密堆积 ,Zn 2+填入 1/2的四面体空隙中 , 如图 4之插图所示 . 对应的晶格常数为 a =01324nm , c =01519nm.图 4 ZnO 纳米线的 XRD 谱Fig. 4 XRD spectrum of ZnO nanowires图 5所示为 ZnO 纳米线的透射电子显微镜表征结果 , 其中 (a 为透射电子显微镜形貌像 (TEM ; (b 为高分辨透射电子显微镜晶格像 (HR 2TEM ; (c 为选区电子衍射像 (SA ED . 从图 5(a ,可以清图 5 ZnO 纳米线的 TEM (a , HR 2TEM (b 和 SA ED (c 像Fig. 5 TEM (a , HR 2TEM (b ,and SA ED (c imagesof ZnO nanowire6221第 7期张琦锋等 : ZnO 纳米线的气相沉积制备及场发射特性楚地看到 , ZnO 纳米线具有非常均匀的直径 , 且在纳米线的端部存在一个催化剂粒子 . 图 5(b 所示的高分辨像显示出 ZnO 纳米线具有非常完善的晶格结构 ,0152nm 的晶面间距对应于六方纤锌矿结构 ZnO 两个相邻 (001 面的间距 , 说明ZnO 纳米线是沿 [001]晶向外延生长的 . 图 5(c 所示的选区电子衍射像进一步验证了 ZnO 纳米线具有沿 [001]晶向的优先取向 , 同时也表明所得 ZnO 纳米线为单晶结构 .3结果和讨论3. 1氧化锌纳米线的平面场发射特性我们首先对 ZnO 纳米线薄膜的平面场发射特性进行了研究 . 被测 ZnO 纳米线样品的面积为 4175mm ×4115mm , 单根纳米线的平均直径约为 10nm. 样品表面到阳极间的距离为 014mm , 背景压强约~10-7Pa , 为实现表面气体脱附所使用的热处理温度为 360℃ . 测试结果显示 , 非取向 ZnO 纳米线薄膜平面场发射的开启电压对应的场强为417V/μm , 相应的发射电流密度为 10μA/cm 2, 在强度仅为716V/μm 的电场作用下纳米线薄膜的场发射电流密度即可达 1mA/cm 2. 图 6(a 所示为 ZnO纳米图 6 ZnO 纳米线平面场发射特性 (a I 2V 特性曲线 ; (b F 2N 特性曲线Fig. 6 Plane field emission properties of ZnOnanowires (a I 2V curve ; (b F 2N curve线平面场发射的 I 2V 特性曲线 , 可以看到样品在所施加的测试电压范围内的场发射性能相当稳定 . 进一步依据一阶近似的 Fowler 2Nordheim (F 2N 公式得到 :J =-62φexp -73/2E(1 其中 J 为电流密度 , 单位为A/cm 2; φ为功函数 , 单位为 eV ; E 为发射位的局域电场强度 , 单位为 V/cm , 与场增强因子β、电压 V 及阴阳极间距离 d 之间的关系为E =βV/d , 取 ZnO 的功函数 [8]为 415eV , 可以得到与 ZnO 纳米线平面场发射 I 2V 特性相对应的 Fowler2Nordheim (F 2N 特性曲线 , 如图 6(b 所示 , 并计算出场增强因子在 1×103量级 .显然 , 我们对非取向 ZnO 纳米线平面场发射特性的测试结果无论是在开启电压还是在阈值电压以及在场增强因子方面都优于 Lee 等人 [6]报道的取向生长的ZnO 纳米线阵列的测试结果 . 我们认为这一现象产生的原因在于 :非取向生长的ZnO 纳米线薄膜中总有部分纳米线的端部是朝向阳极面的 , 这些端部冲着阳极面的纳米线自然地充当了场发射的主体 , 同时由于它们在发射表面具有较为稀疏的分布 , 避免了平面场发射中屏蔽效应 [9]的出现 , 这就使得非取向生长的 ZnO 纳米线与取向生长的 ZnO 纳米线阵列在同样大小的电场作用下所支取的场发射电流密度出现了较大的差异 , 前者优于后者 .实验结果还表明 , ZnO 纳米线薄膜在经历 600℃高温热处理及强场作用的情况下 , 其场发射的 I 2V 特性在多次测量过程中仍表现出很好的重复性 , 这与ZnO 半导体材料自身良好的热稳定性及气相制备过程中 ZnO 纳米线与硅衬底间形成的较强的结合力有关 , 同时也说明 ZnO 纳米线薄膜在平面显示器件领域具有独特的优势 . 3. 2氧化锌纳米线的针尖场发射特性将纳米线材料组装在金属针尖上可以在纳米线端部得到更强的局域场强 , 这一方面达到提高场发射电流密度的目的 , 另一方面可以更为细致地研究发射体的微观场发射情况 . 通过将 ZnO 纳米线生长在钨针尖表面 , 我们利用场发射显微镜研究了 ZnO 纳米线的针尖场发射特性 .图 7为生长在钨针尖表面的 ZnO 纳米线的 SEM 像 , 可以看到 ZnO 纳米线在钨针尖表面呈杂乱无规状密集生长 . 依据图 5所示 TEM 像 , 本文所述实验条件下生长的纳米线直径仅为 10nm. 因此 , 在某一给定电压下 , 处于针尖尖端部位的纳米线因所在位置具有最小的曲率半径和自身极小的曲率半径且与阳极距离最近而获得最强的电场 , 成为场发射的主体 . 实验过程中的背景压强为 10-7Pa , 纳米7221图 7生长在钨针尖表面的 ZnO 纳米线的 SEM 像Fig. 7 SEM image of ZnO nanowires grown on thetungsten tip线发射体的热处理温度为 500℃ , 针尖对阳极面板的电压最大为 -4000V. 图 8所示为 ZnO 纳米线在强场作用下发射的电子轰击荧光屏所形成的场发射像 , 可以看到该场发射像由散落分布的“ 亮点” 和交错分布的“ 亮线” 组成 . 图 9所示为组装有 ZnO 纳米线的钨针尖场发射特性 , 其中图 (a 和 (b 分别为 I 2V 特性曲线及相应的 F 2N 特性曲线 . 运用插值方法 , 我们可以得到该针尖在外加电压为 3000,3500和 4000V 时的场发射电流大小分别为 380,770和1300nA.图 8 ZnO 纳米线的针尖场发射像Fig. 8 Field emission image of ZnO nanowires at tung 2sten tip为了评估该 ZnO 纳米线针尖的场发射性能 , 我们依据 (1 式对未组装 ZnO 纳米线的钨针尖在上述外加电压作用下的场发射电流进行了估算 . 其中 , 逸出功φ取值为 415eV , 发射体的端部形状采用双曲面近似 , 局部场强 E 由下式给出 [10]:E =rl n [4d/r ](2 式中 V 为阴阳极间所加电压 ; r 为钨针尖的曲率半径 , 依图 7所示取值为 0115μm ; d 为针尖至阳极面板的距离 , 实验中设定为 5cm. 计算所得未组装 ZnO 纳米线的钨针尖在外加电压为 3000,3500和 4000V 时的场发射电流大小分别为 0104, 115和 2218nA. 将该估算结果与上述实验结果作比较 ,可图 9 ZnO 纳米线针尖场发射特性 (a I 2V 特性曲线 ; (b F 2N 特性曲线Fig. 9 Field emission properties of ZnO nanowires at tungsten tip (a I 2V curve ; (b F 2N curve以看到 , 组装有 ZnO 纳米线的钨针尖在等同条件下的场发射电流要较钨针尖本身的大 2~3个量级 .将 ZnO 纳米线组装在钨针尖上所进行的场发射特性测试结果进一步显示出ZnO 纳米线具有较强的场发射能力 , 同时也为具有超高分辨能力、低阈值大电流场发射显微探针的构造提供了思路 .4结论气相沉积法制备在硅衬底表面的非取向生长 ZnO 纳米线薄膜具有较强的场发射能力 , 在强度分别为 417和716V/μm 的电场作用下所支取的场发射电流密度分别为 10μA/cm 2和 1mA/cm 2. 非取向生长 ZnO 纳米线薄膜场发射能力增强的原因在于其所具有的稀疏结构避免了强场作用下屏蔽效应的产生 , 有效地提高了薄膜场发射的电流密度 . 将 ZnO 纳米线组装在钨针尖上能够明显地改善针尖的场发射性能 , 在超高分辨显微探针等领域具有良好的应用前景 . 参考文献[1] De Heer W A , Chatelain A , Ugarte D. 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B ot h t he pla ne field e mission a nd tip field e mission of ZnO na nowires are studied using a field e 2 mission microscop e. The results show t hat f or unorie nted ZnO na nowire t hin films , t he elect ric field inte nsities corresp onding t o t he turn 2on voltage a nd thres hold voltage of field e mission are 417and 716V/μm ,w hich are much lower t ha n t hose of a 2 ligned na nowire arrays. The e nha nce ment of t he field e mission abilit y is att ributed t o t he f act t hat t he field 2induced scree ning eff ect can be eff ectively avoided due t o t he widely sp aced intervals t hat exist betwee n t he unorie nted na nowires. The field e 2 mission of t he tungsten tip also ca n be eff ectively imp roved by asse mbling ZnO na nowires on t he tip , which p resents a p ote n 2 tial application of ZnO na nowire on t he p robe of elect ron microscopes wit h ult rahigh resolution.K ey w ords :ZnO ; nanowire ; vap or 2p hase dep osition ; field emissionPACC :7360L ; 8115H ; 7970Article ID :025324177(2006 07212252053Project supp orted by t he State Key Develop ment Progra m f or Basic Research of Chi na (No. 2001CB 610503 , t he National Natural Science Foundation of China (Nos. 50202002, 60471007, 60231010, 90206048 ,a nd t he Natural Science Foundation of Beijing (N os. 4032012, 4042017Corresp onding aut hor. Email :jlwu@p ku. edu. cnReceived 7Nove mber 2005Ζ2006Chinese Institute of Elect ronics。
氧化锌纳米结构的热蒸发沉积合成及生长机理田蜜;侯丽珍;喻博闻;宋春蕊;苏耿;王世良;贺跃辉【摘要】以ZnO粉末为原料,用N 2作为载气,采用无催化辅助的热蒸发法沉积制备ZnO纳米结构,分别用X线衍射仪、扫描电镜和透射电镜对ZnO的物相、形貌和结构进行表征,并结合晶体生长理论和实验条件,对ZnO产物的形貌变化和纳米带生长方向进行研究.结果表明:离气源较近的位置到离出口较近的位置,ZnO纳米结构的形貌由连续颗粒膜逐渐向纳米带、直径大于100 nm和直径小于100 nm 的纳米线变化.特别是发现ZnO纳米带除了常见的[001]生长方向外,还有[101]和[203]两种极为罕见的生长方向,这些纳米带都具有上下表面均由(±010)晶面组成的特点.ZnO产物的形貌变化是其生长过程由动力学控制为主转向热力学控制为主的结果,纳米带生长方向不同,可能与其晶核形成过程中的竞争生长有关.【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》【年(卷),期】2016(021)001【总页数】7页(P18-24)【关键词】ZnO;纳米结构;热蒸发沉积;纳米带;纳米线;生长方向【作者】田蜜;侯丽珍;喻博闻;宋春蕊;苏耿;王世良;贺跃辉【作者单位】中南大学物理与电子学院,先进材料超微结构与超快过程研究所,长沙410083;湖南师范大学物理与信息科学学院,长沙 410081;中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083;中南大学物理与电子学院,先进材料超微结构与超快过程研究所,长沙 410083;中南林业科技大学材料科学与工程学院,长沙 410004;中南大学物理与电子学院,先进材料超微结构与超快过程研究所,长沙 410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083【正文语种】中文【中图分类】O781ZnO作为II-VI族宽禁带半导体材料, 室温下带隙为3.37 eV,具有大的激子束缚能60 meV,在室温条件下表现出近紫外光[1]和透明导电性能[2]。
Flexible High-Output Nanogenerator Based on Lateral ZnO Nanowire Array 基于弹性Nanogenerator血库的横向氧化锌纳米线阵列
Guang Zhu,† Rusen Yang,† Sihong Wang, and Zhong Lin Wang* 广朱、Rusen得来,杨泗洪县得来王建民,王建民、众林*
School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia 30332-0245 材料科学与工程学院,佐治亚理工学院,亚特兰大,乔治亚州30332 - 0245
ABSTRACT We report here a simple and effective approach, named scalable sweeping-printing-method, for fabricating flexible high-output nanogenerator (HONG) that can effectively harvesting mechanical energy for driving a small commercial electronic component. The technique consists of two main steps. In the first step, the vertically aligned ZnO nanowires (NWs) are transferred to a receiving substrate to form horizontally aligned arrays. Then, parallel stripe type of electrodes are deposited to connect all of the NWs together. Using a single layer of HONG structure, an open-circuit voltage of up to 2.03 V and a peak output power density of ∼11 mW/cm3 have been achieved. The generated electric energy was effectively stored by utilizing capacitors, and it was successfully used to light up a commercial light-emitting diode (LED), which is a landmark progress toward building self-powered devices by harvesting energy from the environment. This research opens up the path for practical applications of nanowire-based piezoelectric nanogeneragtors for self-powered nanosystems. 摘要本文报告一个简单而有效的方法,可扩展的sweeping-printing-method命名,因为制作灵活(香港)nanogenerator血库,能有效地收获机械能量来驱动小型商业电子器件。该技术包括两个主要的步骤。在第一步的氧化锌奈米线垂直对齐(NWs)转移到一个接收基体形成横向对齐的数组。然后,平行条纹沉积类型的电极连接所有的新创建在一起。采用单层结构的香港,一个开路电压2.03 V,输出功率密度峰值∼11 mW / cm3已经达成。所产生的电力能源有效利用电容器存储,并成功用于照亮一个商业发光二极管,这是一个具有里程碑意义的进步对建立自我动力的设备被收获能量从环境。该研究为实际应用nanowire-based路径的压电nanogeneragtors nanosystems为自我动力。
KEYWORDS Nanogenerator, ZnO, nanowire, light-emitting diode, self-powering 关键词Nanogenerator、氧化锌和纳米线、发光二极管、self-powering Energy harvesting is critical to achieve independent and sustainable operations of nanodevices, aiming at building self-powered nanosystems. 1-3 Taking the 能量收获是关键和可持续经营实现独立设备,以建设nanosystems自我动力。1 - 3以 forms of irregular air flow/vibration, ultrasonic waves, body movement, and hydraulic pressure, mechanical energy is ubiquitously available in our living environment. It covers a wide range of magnitude and frequency from cell contrac-tion to ocean waves. The mechanical-electric energy conver-sion has been demonstrated using piezoelectric cantilever working at its resonating mode. 4-7 However, the applicabil-ity and adaptability of the traditional cantilever based energy harvester is greatly impeded by the large unit size, large triggering force and specific high resonance frequency. Recently, a series of rationally designed nanogenerators (NGs) with piezoelectric nanowires (NWs) have shown great potentialtoscavengetinyandirregularmechanicalenergy. 8-15 However, insufficient electric output hinders their practical applications. We report here a simple and effective ap-proach, named scalable sweeping-printing-method, for fab-ricating flexible high-output nanogenerator (HONG). An open-circuit voltage of up to 2.03 V and a peak output power density of ∼11 mW/cm3 have been achieved. The generated electric energy was effectively stored by utilizing capacitors, and it was successfully used to light up a commercial light-emitting diode (LED), which is a landmark progress toward building self-powered devices by harvesting energy from the environment. Furthermore, by optimizing the density of the NWs on the substrate and with the use of multilayer integra-tion, a peak output power density of ∼0.44 mW/cm2 and volume density of 1.1 W/cm3 are predicted. 形式的不规则的气流/振动、超音波、肢体动作、液压、机械能量可在我们的生存环境而传播。它涵盖了广泛的程度和频率,从细胞contrac-tion海浪。电力能源的conver-sion已经被证实使用压电悬臂梁的工作在其产生共鸣的模式。4 - 7然而,applicabil-ity和适应性,传统的基础能源矿车悬臂大大阻碍大单位的大小、大型触发力和特定的高谐振频率。最近,一系列的合理设计nanogenerators(上天)(NWs)压电奈米线表现出极大的potentialtoscavengetinyandirregularmechanicalenergy。然而,这个不足,不妨碍电力输出的实际应用。这里我们报告一个简单而有效的ap-proach,名叫可扩展的sweeping-printing-method,灵活nanogenerator fab-ricating血库(香港)。一个开路电压2.03 V,输出功率密度峰值∼11 mW / cm3已经达成。所产生的电力能源有效利用电容器存储,并成功用于照亮一个商业发光二极管,这是一个具有里程碑意义的进步对建立自我动力的设备被收获能量从环境。此外,通过优化的密度在基底,另外采用多层integra-tion,输出功率密度峰值∼0.44 mW /平方厘米和体积密度为1.1 W / cm3进行预测。
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: zlwang@gatech.edu. *通信所应处理。电子邮件:zlwang@gatech.edu。
† Authors with equal contribution 作者以同样的贡献得来