Регистрация / Вход
Прислать материал

Формирование одномерных структур на основе оксида цинка

Сведения об участнике
ФИО
Рябко Андрей Андреевич
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования ""Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)” (СПбГЭТУ ""ЛЭТИ"")
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Нанотехнологии
Тема
Формирование одномерных структур на основе оксида цинка
Резюме
Работа направлена на формирование одномерных структур на основе оксида цинка гидротермальным методом. Полученные одномерные структуры были исследованы методом растровой электронной микроскопии. Изучено влияние зародышевых слоев на полученные наностержни оксида цинка в зависимости от метода и параметров формирования зародышевых слоев. В результате был разработан метод синтеза массива наностержней оксида цинка с использованием зародышевых слоев из наночастиц ZnO. Длина синтезированных наностержней ZnO составляет около 0.5 - 1 мкм, а диаметр 50 - 100 нм. Синтезированные массивы наностержней ZnO могут быть использованы для создания фотовольтаических элементов нового поколения.
Ключевые слова
оксид цинка, спрей – пиролиз, гидротермальный синтез, наночастицы оксида цинка, наностержни оксида цинка
Цели и задачи
Целью настоящей работы было создание простой производительной методики формирования одномерных структур на основе оксида цинка с возможностью управления морфологией растущих массивов нанообъектов. С этой целью необходимо решить следующие задачи: изучение наиболее простых и дешевых методов создания зародышевых слоев, анализ их свойств методами растровой электронной микроскопии, оптической микроскопии, эллипсометрии, оптической спектроскопии для дальнейшего анализа влияния структуры слоев на полученные на этих слоях одномерные нанообъекты.
Одной из частных задач являлась изучение оптических свойств созданных для формирования наноструктур растворов наночастиц с целью контроля завершения синтеза наночастиц.
Введение

 

С развитием нанотехнологий наблюдается резкое повышение интереса к оксиду цинка, на основе которого могут быть созданы новые наноматериалы, обладающие уникальными свойствами. Это обусловлено тем, что оксиду цинка присущи полупроводниковые и пьезоэлектрические свойства. Используя особенности кристаллической структуры, можно эффективно управлять морфологией растущих нанообъектов. Одномерные структуры на основе оксида цинка могут быть использованы в качестве газовых сенсоров, солнечных батарей, пьезоэлектрических наногенераторов, фотокатализаторов, люминесцентных материалов, порошковых лазеров. Таким образом, данная работа является актуальной и представляет научно - практический интерес.

Методы и материалы

Для получения наностержней оксида цинка использовался гидротермальный метод. Гидротермальный синтез наностержней ZnO не требует высоких температур (< 100 °С) и является относительно дешевым. Форма и размеры структур оксида цинка, получаемых гидротермальным методом, зависят от реагентов и их концентрации, времени и температуры. Для получения наностержней и нанопроволок ZnO в гидротермальном синтезе обычно используют нитрат цинка и гексаметилентетрамин. Зародышевые слои оксида цинка наносились методом спрей-пиролиза и с помощью различных способов осаждения наночастиц оксида цинка на поверхность подложки. Спрей–пиролиз аэрозолей (англ. aerosol spray pyrolysis сокр., ASP) – метод получения порошков и тонких пленок,  основанный на термическомразложении аэрозоля раствора, содержащего ионы синтезируемого материала в стехиометрическом соотношении. Благодаря простоте и дешевизне ASP получил широкое распространение. Наночастицы оксида цинка с оболочкой из паверхностно-активного вещества и без наносились методом центрифугирования и методом погружения. Часть полученных зародышевых слоев подвергались отжигу для удаления органики и перестройки кристаллической структуры. Наночастицы оксида цинка, зародышевые слои ZnO, полученные методом спрей-пиролиза, и наностержни ZnO исследовались методами оптической спектроскопии,  эллипсометрии и растровой электронной микроскопии, что позволило определить влияние структуры зародышевых слоев на  одномерные нанообъекты.

Описание и обсуждение результатов

Благодаря микрофотографиям, показана возможность синтеза одномерных наноструктур оксида цинка. На затравочном слое, который наносился методом спрей – пиролиза формируются лишь конгломераты наностержней разной формы и размеров. Такие же конгломераты наблюдались на неровностях неотшлифованной стороны кремниевой подложки. Таким образом, данный затравочный слой влиял лишь на более равномерное распределение конгломератов и их концентрацию на подложке. Однако после гидротермального синтеза менялась морфология поверхности зародышевого слоя. На поверхности формируются кристаллиты шириной около 100 нм с гексагональной огранкой. Можно предполагать, что при длительном гидротермальном синтезе данные кристаллиты будут удлиняться. Таким образом, может быть возможно получение наностержней ZnO на всей поверхности затравочного слоя. Нанесение центрифугированием наночастиц позволяет получать массивы наностержней с шириной около 50 нм. При этом лучшие результаты показывают образцы, нанесенные при меньшей скорости вращения (3000 об/мин.), с последующим отжигом. Метод погружения показал меньшую однородность по распределению массивов на подложке. 

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Изучены методы создания зародышевых слоев. Сформированы зародышевые слои с помощью технологий спрей-пиролиза и центрифугирования. Исследования их свойств методами растровой электронной микроскопии, оптической микроскопии, эллипсометрии, оптической спектроскопии показали, что на поверхности кремниевых и стеклянных подложек формируются слои разной толщины и структуры. 

2. Использование метода спрей-пиролиза для создания слоев на различных подложках приводит к формированию сплошного покрытия, толщина которого линейно зависит от времени нанесения. Скорость нанесения в наших экспериментах составляла 3 – 5 нм/мин.

3. Затравочные слои, полученные методом спрей-пиролиза, стимулировали рост массивов стержней из одного центра, причем эти массивы имели форму «ежей» и агрегатов «ежей». В отличие от этого слои, созданные из наночастиц ZnO методом центрифугирования, инициируют образование наностержней ориентированных перпендикулярно подложке. 

4. С помощью метода гидротермального синтеза на подготовленных зародышевых слоях были созданы массивы одномерных нанообъектов на основе оксида цинка. Исследование этих массивов методом РЭМ показало, что одномерные нанообъекты имеют размеры порядка 1 мкм в длину с аспектным соотношением около 20.

5. Создана простая производительная методика формирования одномерных структур на основе оксида цинка с возможностью управления морфологией растущих массивов нанообъектов.

Таким образом, в результате работы созданы массивы ориентированных наностержней на поверхности стекла и кремния. Такие структуры перспективны для формирования фотовольтаических элементов нового поколения.

Используемые источники
1. Подрезова, Л. В. Получение и исследование наноструктурированных слоёв на основе оксидных полупроводников:автореф. дис. д – р. филос. наук (6D074000) / КазНУ, 2013. – 11 с.
2. Zinc Oxide / C.F. Klingshirn et. al. / Berlin: Springer, 2010. – 120 p.
3. Growth of ZnO nanorod arrays by sol-gel method: transition from two-dimensional film to one-dimensional nanostructure / M.W. Zhu et al. // Applied Physics A.– 2011 – Vol.103. – P.159-166.
4. Упорядоченные массивы наностержней оксида цинка на кремниевых подложках / А. Н. Редькин и др. // ФТП. – 2013. – Т. 47. – Вып. 2. – С. 216 - 222.
5. A comprehensive review of ZnO materials and devices / Ü. Özgür et al. // J. Appl. Phys.–2005.–Vol. 98.–P. 1 – 103.
6. Шапорев, А. С. Гидро – и сольвотермальный синтез и функциональные свойства нанокристаллического оксида цинка: автореф. дис.канд. хим. наук (02.00.01) / ИОНХ РАН. – М., 2009. – 26 с.
Information about the project
Surname Name
Ryabko Andrey
Project title
Synthesis of ZnO one-dimensional structures
Summary of the project
The project deals with a problem of formation of one-dimension structures based on zinc oxide. The synthesized structures was tested the by scanning electron microscopy, ellipsometry and optical spectroscopy methods.
As a result a simplezinc oxide nanorods array synthesis technique was developed with usage of ZnO nanoparticles skin layers. A synthesized nanorods is about 50-100 nm in diameter and about 0.5-1 µm long.
Synthesized zinc oxide nanorods arrays can be used for creation of new generation photovoltaic cells.
Keywords
zinc oxide, spray pyrolysis, hydrothermal synthesis, ZnO nanoparticles, ZnO nanorods