氧化锌超长纳米线的制备、二次生长及场发射性能的研究

纳米ZnO薄膜由于具有低的开启电场与阈值电场、高的电流密度、稳定的电流发射和低的制作成本等优点被认为是可与碳纳米管薄膜阴极相媲美的最有前途的场发射阴极材料之一。ZnO纳米线阵列薄膜具有高的场增强因子和低的场屏蔽效应受到特别的关注。为改善ZnO纳米线阵列薄膜的场发射性能，从ZnO纳米线阵列的长径比、垂直性、顶端形貌、空间分布四个关键因素进行系统的结构优化是本项目制备超长ZnO纳米线阵列并进行二次生长的主要目标。采用改进的气相沉积法制备长度接近1mm的超长ZnO纳米线阵列，并以此为基础在更低温度的气相或温和可控的溶液条件下实现ZnO纳米线阵列的二次外延生长，进一步提高ZnO纳米线阵列长径比，优化顶端形状与尺寸。通过这些结构优化，ZnO纳米线阵列的开启电场可降到2V/μm以下，阈值电场到5V/μm。本项目的开展将对推动准一维纳米材料的定向生长及其在场发射等领域中的应用具有重要意义。

一维ZnO纳米材料具有开启场强低、场致发射电流密度高、导电性能良好、化学稳定性强等诸多优点，因而被认为是最有前途的场发射阴极材料之一。同时，ZnO具有价格低廉、无毒、稳定等优点，可在紫外光激发条件下发生光催化反应而催化氧化降解有毒有机污染物，因此被认为是极具应用前景的高活性光催化剂。本项目为改善ZnO纳米线阵列薄膜的场发射性能，我们从ZnO纳米线阵列的长径比、垂直性等关键因素进行系统的结构优化，制备了超长ZnO纳米线阵列并进行二次生长。研究发现，双层ZnO纳米线阵列的长径比由7.5增加至100，长径比的提高及顶端直径的减小改善ZnO 纳米线阵列的场发射性能，实现ZnO纳米线阵列场发射性能的提高；我们采用化学气相沉积法与液相法结合并重复多次生长的方法制备了多层ZnO纳米线阵列，该法制备的ZnO纳米线阵列纯度高、垂直性好，可重复性高，可以大幅度增加ZnO纳米线阵列的长度。所制备的多层ZnO纳米线阵列由于长度得到了明显提高，表面积增大，而具有优异的光电催化性能。随着ZnO纳米线阵列层数的增加，光电催化降解速率得到了明显提升；我们将ZnO纳米线阵列与金红石相TiO2/Ti异质结薄膜复合，形成TiO2半导体能带向上弯曲，有利于电子和空穴的扩散，利用ZnO纳米线阵列提高电子的迁移率，增大比表面积，抑制电子空穴对的复合，进一步提高金红石相TiO2/ZnO纳米线阵列复合材料的光电催化效率。本项目的研究有望推动准一维纳米材料的定向多次生长及其在场发射、光电催化等领域中的应用。