https://link.springer.com/article/10.1007/s40145-022-0592-4
氧化锌 (ZnO) 由于其具有优异的物理化学特性被认为是最重要的第三代半导体之一，如高的电子迁移率、宽禁带直接带隙 (3.37 eV)、室温下大的激子结合能 (60 meV)、以及高机械和热稳定性，使其在高效短波长光电器件中具有广泛的应用。同时其独特的压电和热电特性使其可以用于压电传感器、能量收集等装置。此外，其固有的低毒性、生物相容性和生物易降解性等优点使其成为生物医学潜在的候选材料。
结构决定性质。与传统的块体材料相比，纳米材料由于突出的表面效应、小尺寸效应、量子限域效应和宏观量子隧道效应等物理化学特性，因此在现代纳米光电器件设备中有着广泛的应用。在室温热力学条件下，ZnO由于沿六角轴具有极性对称性的四面体非中心对称结构导致生长呈各向异性，其结果是ZnO纳米结构形态的多样化，如纳米管、纳米球、纳米棒、纳米线、纳米带、纳米花及纳米环等。为了合理设计ZnO纳米结构的生长，各种合成策略都取得了进展，如水溶液法、物理气相沉积、金属有机化学气相沉积、电沉积和刻蚀等。然而，大多数关于ZnO纳米结构制备的报道都遇到了两个巨大的挑战：一是工艺较为复杂耗时，二是需要高温和高压过程、以及有机/有毒试剂的辅助。因此，在室温常压条件下制备ZnO纳米结构是非常有必要的，这也是推动其在实际应用中的关键。
湖南大学滕杰教授和宁波工程学院杨为佑研究员团队，基于声化学策略，报道了多形态单晶ZnO纳米结构在常温常压条件下的可控制备。由于ZnO晶体沿c轴具有独特的极性电荷面，通过调整溶液的pH值，改变极性面电荷，实现了ZnO纳米棒和纳米片的可控生长。同时，以ZnO纳米片构建的气体传感器在常温条件下表现出高效的NH3气体传感性能，主要包括高的响应度 (S = 610 vs 100 ppm)、良好的气体选择性以及快速检测 (响应/恢复时间70 s/4 s) 和低的极限检测能力 (S = 2 vs 0.5 ppm)，同时构建气敏传感器还具有良好的循环可逆性。
以ZnO纳米片构建的气敏传感器性能的提升主要归功于合成ZnO纳米片独特的结构和单晶性质，一方面，纳米片结构的高比表面积可以暴露足够的活性位点来响应NH3。另一方面，二维片层结构为电子的有效转移提供了快速通道。本工作为纳米结构的常温常压可控制备技术及其先进气敏传感器的研发，提供一定的的策略参考。同时该工作可能对推动ZnO纳米结构在先进的光/电子纳米器件的应用中有一定的研究价值。该成果以“Controllable growth of single-crystalline zinc oxide nanosheets under ambient condition toward ammonia sensing with ultrahigh selectivity and sensitivity”为题发表在Journal of Advanced Ceramics上，论文第一作者是湖南大学张冬冬博士，为宁波工程学院联培研究生，湖南大学滕杰教授和宁波工程学院杨为佑研究员为共同通讯作者。
图文导读
图1 (a) ZnO纳米结构合成示意图。(b-c) 不同放大倍数下ZnO纳米片SEM图像。(d) ZnO纳米片TEM图像。(e) ZnO纳米片HRTEM图像，左下和右上的插图分别是ZnO的晶格条纹和快速傅里叶变换图案。(f) ZnO纳米片XRD图谱。(g) ZnO纳米片Raman光谱。
图2 ZnO纳米棒的表征。(a-b) 不同放大倍数下ZnO纳米棒的SEM图像。(c-d) ZnO纳米棒的典型TEM和HRTEM图像。(d) 中的左下角和右上角的插图分别为晶格条纹和快速傅里叶变化图案。(e) ZnO纳米棒的典型XRD图谱。(f) ZnO纳米棒的典型Raman光谱。
图3 不同形貌ZnO的生长机制。(a) ZnO纳米棒和纳米片生长过程中涉及的方程式。(b) ZnO纳米片生长过程示意图。(c) ZnO
面吸附H和Zn原子的表面吸附能。(d) ZnO纳米棒生长过程示意图。
图4 (a-b) 构建ZnO纳米片气体传感器的示意图。(c) 传感器在室温下对不同浓度NH3的响应-恢复曲线。(d) 构建ZnO纳米片传感器室温下在100 ppm NH3的循环性能，插图为0.5 ppm NH3下的循环响应曲线。(e) ZnO基纳米结构在室温条件下NH3气敏传感响应对比图。(f) 100 ppm NH3下传感器的响应和恢复时间曲线。(g)ZnO纳米片的NH3传感机理示意图。(h) 室温下100 ppm气体选择性测试。(i) ZnO 晶面与NH3的表面吸附能计算。(j) 八种气体在ZnO晶面上吸附能计算。(k) ZnO 晶面吸附NH3后的差分电荷分布。
详情链接：https://mp.weixin.qq.com/s/hiO2YvmF9opEBB0vKRHL7Q
