一维SnO₂纳米结构:合成和应用程序

文摘

量子点等纳米半导体材料(0-dimensional)和一维(1 d)结构,如纳米线、纳米带和纳米管,在过去的十年中获得了巨大的关注。在各种各样的一维纳米结构,氧化锡(SnO₂)半导体纳米结构尤其有趣,因为他们的应用前景在光电和电子设备由于良好的导电性和透明性的可见区域。本文提供了一个全面的回顾最近的研究活动,注重理性的合成和1 d SnO独特的应用₂纳米结构及其光学和电学性质。我们开始与1 d SnO的合理的设计和合成₂纳米结构,如纳米管、纳米线、纳米带和一些异质纳米结构,然后突出一系列应用程序(例如,气体传感器、锂离子电池和纳米光子学)。最后,复习一些结论与观点对1 d SnO未来的研究₂纳米结构。

1。介绍

一维(1 d)纳米材料,如纳米管、纳米线、纳米带,吸引了大量的关注,由于其独特的大小和dimensionality-dependent电气、光学、化学、机械性能和应用前景,互连和功能组件在设计纳米电子和光学设备1,2]。一维半导体纳米结构是一个重要和广泛的纳米尺度的平衡结构,可以理性的和可以预见的是合成单一晶形控制化学成分、直径、长度和掺杂度与精度高。纳米结构的可用性使提供广泛的样机设备和集成策略(3,4]。

众所周知,比大部分同行材料在纳米尺度下表现不同。低维的纳米材料,它们巨大的表面积和可能的量子限制效应,表现出优良的机械、热、化学、电气和光学性质不同于大部分同行。操纵控制精确的尺寸、结晶度和一维纳米结构的合成产生独特的属性,从而使各种各样的应用程序不可能与材料大部分维度。毫无疑问,彻底了解一维纳米结构体系的基本性质是无可争议的前提研究和发展走向实际应用(5]。

作为一个n型直接宽带半导体(电动汽车在300 K),还有雪地₂在可见光区域是透明的和有用的光电设备6],催化剂支持[7)、透明导电电极(8),抗反射涂料(9),原生材料金属氧化物传感器(10]。一维氧化锡纳米结构合成了多种技术,包括蒸汽运输(11,碳热还原的还原12)、激光消融的纯锡氧化Ar / O₂大气(13),氧化电镀锡线(14),氧化锡气体在高温(15],solvothermal合成[16),而电纺的(17),等等,我们小组报告基于一个分子化学汽相淀积(MB-CVD)合成1 d SnO₂纳米线(18,19,纳米线阵列20.,21),和异质结构22)的分解单分子前体(Sn (O^t部)₄)包含预制Sn-O债券在金纳米粒子,Si,₂O₃,TiO₂通过知名vapor-liquid-solid基质(VLS)增长机制。同时它是精确控制化学成分、形态和沉积速率。

本文将提供一个有用的先进的研究活动集中在合成和1 d SnO的设备₂纳米结构。第一部分介绍了典型的一维纳米结构在SnO获得₂,包括纳米线、纳米管、纳米带和一些特殊的纳米结构。接下来,一些重要的电子和光电设备建立在1 d SnO₂纳米结构,包括气体传感器、锂离子电池、纳米光子学。本文最后将提出一些观点和对未来的发展前景1 d SnO₂纳米结构和相关的研究领域。

2。典型的1 d SnO₂纳米结构

2.1。纳米线

SnO₂纳米线已经被一些物理和化学合成方法,例如,vapor-solid (VS)合成SnO脉动流条件下蒸发导致形成分段线(23]。此外,热蒸发的SnO或SnO₂也用于在高质量纳米线的形成(24]。此外,还有雪地₂纳米线已经通过self-catalyzed生长机制通过碳热还原的合成(25),激光烧蚀纯锡的氧化Ar / O₂大气(13),和内氧化电镀锡线结构指导阳极氧化铝膜(26)或通过氧化锡蒸汽在升高的温度下(15]。基于catalyst-assisted分子CVD生长是一个通用的方法对金属氧化物纳米结构的可控合成和SnO已经被证明₂,如图1。这是显示的平均径向尺寸SnO₂电线大约是0.9 - -1.1μm。索引SnO SAED模式的显示₂纳米线生长在方向的平面间距0.334 nm,对应SnO面₂金红石相(18]。大型表面覆盖着二氧化锡纳米棒可以通过水pH值方法控制离子强度和前体的解决方案(27]。

2.2。纳米管

相当大的也一直在注意半导体纳米管由于较高的表面体积比率与单线同行相比,自1991年首次报告与饭岛爱的碳纳米管(28]。纳米管通常是获得材料分层或pseudolayered结构(29日]。SnO的准备₂管状结构,template-assisted方法已经被证明是一个有效的途径,通常涉及的使用可移动的模板,如preobtained纳米棒(30.),细胞纤维(31日),多孔膜(32,碳纳米管(碳纳米管)33]。然而,管状结构的形态,而有限的由于困难在制作模板与多样化的形态。最近,一维硅中构造作为牺牲模板合成SnO₂纳米管与保存形态通过一个简单的水热路线(图2(一个)),导致明确的SnO的形成₂纳米管具有不同长度和独特的螺旋SnO₂纳米管与构象的财富(数字2 (b)和2 (c))[34]。此外,还有雪地₂与控制纳米管直径和长度在室温下使用电化学方法合成。纳米管的长度和壁厚与沉积时间单调增加,纳米管的直径是改变通过改变支架的孔隙大小(35]。

2.3。纳米带

纳米带(或nanoribbons),一个独立的家庭在一维纳米材料领域,被视为一个理想的系统完全理解维密闭运输现象,可以作为有价值的单位构建nanodevices由于他们的良好定义的几何36]。SnO₂成功地合成了纳米带不同的源材料的热蒸发。结构完善和统一的单一水晶SnO₂nanoribbons,宽30 - 200 nm, width-to-thickness配给5 - 10,和长度的几百微米到几毫米,被简单的热蒸发SnO合成₂或SnO粉在高温下。值得注意的是,平衡中可以观察到纳米结构生长过程的第一阶段由于应变的存在。边缘的形象意味着平衡的几何形状纳米结构可能是一个带(37]。SnO₂纳米也合成了Sn箔和SnO粉末的混合物相同的生长机制(24]。提出了一种简单的元素快速氧化锡的SnO大规模生产₂nanoribbons。纳米结构的宽度是敏感的反应温度。生长温度增加到1350°C时,这些纳米结构的直径范围显著增加到50 - 350纳米(图3(b))相比,平衡纳米结构生长在1080°C(图3(a))。nanoribbons的长度到数百微米,和典型的宽度和厚度的范围30 - 150和10 - 30 nm(图3(c)),分别。的as-synthesized SnO₂nanoribbons似乎单结晶和展出[110]和[203]增长方向(数字3(d) -3(e))38]。最近,锯齿形SnO表面₂合成了纳米带与过程,减少表面终止的Sn原子和Sn终止表面非极性表面。既减少SnO和化学计量SnO₂(101)表面是中性的终端,极地表面模型不再适用于(101)金红石表面SnO类型₂纳米带(39]。

2.4。其他SnO₂一维纳米结构

SnO的合成和组装₂一维纳米结构具有特殊形态、形状、成分引起了极大利益最近因为他们流程独特的属性和功能,无法访问在单组分材料,由于材料的组合类,如金属、金属氧化物、半导体、和聚合物。他们也可以用来制造特殊的电子和光电设备无法满足使用简单的一维纳米结构(40,41]。分支1 d SnO₂- v₂O₅异质结构是不断增长的钒氧化物纳米结构制造的,是成年人SnO₂脊椎(图4(一))。HR-TEM SnO的图像₂- v₂O₅界面显示一个强大的对齐的两个不同的晶格,导致异质外延生长的氧化钒氧化锡。V的单个水晶性质和发展方向₂O₅被索引(图4 (b))[20.]。分层纳米结构与SnO₂脊椎和氧化锌分支成功准备大规模的结合(SnO汽运输和淀积过程₂纳米线)和水热生长(氧化锌)。氧化锌纳米棒生长外延SnO₂纳米线侧脸主要有4倍的对称性。二次氧化锌纳米结构的数量密度和形态可以通过调整调整烘烤条件,如盐浓度、反应时间、添加剂(42]。此外,还有雪地₂nanobelt / cd核/壳异质结构纳米粒子成功准备通过一个简单的和有效的声化学的方法。CdS纳米粒子是近球形的形状和典型的大小在10 - 20海里。晶体平面的测量间距是0.315 nm,对应点阵平面六角结构的cd晶体(43]。

3所示。1 d SnO的应用程序₂纳米结构

作为一种重要的宽带隙半导体可调谐导电性和高透明度、1 d SnO₂纳米结构被用来制造纳米气体传感器,电子和光电设备。

3.1。气体传感器

气体传感使用纳米材料是一种吸引力,多才多艺的申请重要分子物种,环境和安全检查的目的44,45]。使用化学传感的一维纳米结构的优点是多样化的。一大团和德拜长度与纳米线半径,纳米线的电子性质强烈影响表面处理,提供优秀的敏感性比薄膜。金属氧化物的传感机理主要是由氧的空缺在氧化物表面是电和化学活性,因此,氧化物纳米材料的电导(或电阻率)是强烈吸附分子的影响。SnO₂与缺氧n型半导体。晶格氧蒸发的气体,使双电离氧气空位和电子。如果二氧化锡加热300 - 400°C,大气中的氧气吸附在表面的SnO₂与负电荷。因为提供电子晶体的表面,氧化锡的表面耗尽层变成了一个电子。这意味着势垒的形成在晶界附近。如果公司存在于大气中,CO氧化成有限公司₂吸附氧的反应和返回到SnO剩余电子₂晶体。这在很大程度上提高了导电性。所以,我们可以通过测量检测有限公司卓越的阻力减少CO的反应。一般来说,减少阻力主要发生在表面,可以解释为减少势垒(46]。

第一个SnO₂nanobelt化学传感器是一个由分散SnO氧化铝衬底₂纳米基质在预制铂电极互相交叉。传感器是用来检测有限公司和没有₂环境污染的种类和乙醇气分析。一个single-SnO₂-nanobelt传感器结合microheaters感觉二甲基methylphosphonate (DMMP)是编造的。SnO的电导₂nanobelt传感器降低了5%,当传感器被暴露在DMMP的7847]。也称光用光催化分子吸收和解吸作为替代方法的使用温度。爆炸性环境的典型应用加热感应器的使用是不利的。强烈的个人单个水晶SnO photoconducting响应₂nanoribbons可以达到同样有利adsorption-desorption行为在室温下通过照明设备的紫外线(UV)光能量在SnO附近₂隙。活跃的解吸过程因此光诱导的分子解吸(48]。Kolmakov等人意识到平行纳米线的SnO数组₂通过自我组织的高度有序的多孔氧化铝模板。电导测量进行孤立的单个纳米线与vapor-deposited Ti /非盟微触。他们分析了纳米线的行为在N₂和N₂+ 10%啊₂。公司与preadsorbed反应氧物种SnO₂形成一氧化碳因此捐赠一些电子回导致电导率增加,大部分单调依赖有限公司(图的气相分压5)[14]。单一的SnO₂金属氧化物纳米线作为单独的单晶纳米级别的用于气体的电传导互动与这些传感材料。不同气体环境下电接触特性和阻力的变化进行了分析从两个,four-probe测量单个纳米线。公司和湿度为单身SnO行为报告₂纳米线与CO检测阈值小于5 ppm和测量不稳定低于4%(图6)[49]。制造的技术方法通过耦合单晶SnO实用设备₂纳米线传感元件与microhotplate气体传感器平台也提出了(50]。

为了优化SnO的灵敏度和选择性₂nanowires-based传感器,许多技术已经探索。添加少量的贵金属如盟、Pd、Pt、Ag)和镍表面加速反应和提高对目标气体选择性物种(51]。Kolmakov检查的影响与催化剂颗粒表面敏化镍/ NiO和Pd (52]。Wan报道使用某人掺杂裁缝SnO的电阻率₂纳米线由热蒸发沉积过程从锡和锑粉的混合物比10:1 (53]。与此同时,SnO锅等人修改₂纳米线由Ar / O₂等离子治疗通过优惠蚀刻晶格氧的原子,产生非化学计量表面成分的大大高灵敏度对气体吸收等表面(图7)[54]。

3.2。锂离子电池的负极材料

可充电锂离子电池(LIBs)被认为是一个有吸引力的电源为流行的移动设备。目前,库是有效的、轻量级的和可充电电源等消费电子产品笔记本电脑、数码相机和手机。此外,他们都已经被广泛地研究过了用作电源电动车(电动车)和混合动力电动汽车(hev),这需要很高的能量和功率密度(55]。

作为一个有前途的阳极材料的库,锡基材料吸引了越来越多的关注由于非凡的电化学行为,这样引起的首次不可逆容量₂O形成,突然容量衰减引起的体积变化可以有效减少在纳米级形式,理论容量高(992 mAhg⁻¹)和更高的工作电压比较传统碳质阳极活性材料(56,57]。self-catalytically增长SnO₂纳米线可以提供更多的表面反应网站,提高电化学反应的电荷转移。此外,Sn粒子在纳米线的技巧也促成了李⁺存储和预防的容量损失是由现有的金属催化剂。SnO₂纳米线显示首次库仑效率约为46.91%,改善循环性能和更高的超过300 mAhg可逆比容量⁻¹50周期如图8(58]。此外,还有雪地₂纳米线电极没有任何缓冲层被用作充电LIBs和表现出优越的电化学性能稳定的循环行为并发表高510 mAhg特定放电容量⁻¹,即使在50周期(59]。

SnO₂奈米棒阵列是一个优秀的几何,因为他们可以提供直接有效的电子传递渠道。SnO₂摘要报道了奈米棒阵列电极可以产生一个锅碱性热液过程。阵列电极表现出良好的性能作为一个自由阳极保留(580 mAhg等属性的能力⁻¹100年之后周期速度0.1 C)和能力(350 mAhg稳定⁻¹在5度)60]。

SnO₂基于异质结构是一个非常有前途的战略来实现高功率密度和高能量密度填词。高电化学活性的V₂O₅装上SnO₂nanowire-based电极表现出非常高的速度能力。薄V₂O₅层是有利于快速⁺夹层/ deintercalation SnO₂核心纳米线电子运输提供了一个快捷途径,也增加了电化学利用V₂O₅。SnO₂/ V₂O₅核/壳纳米线可以提供60 kWkg的高功率密度⁻¹而能量密度仍高达282 Whkg⁻¹。更好的利率功能实现在高温(图9)[61年]。碳涂层SnO₂奈米棒阵列还显示良好的循环稳定性(320年稳定mAhg⁻¹在3000年杂志⁻¹(585 mAhg)和速度能力⁻¹后50周期在500杂志⁻¹)[62年]。

3.3。纳米光子学

纳米线代表有吸引力的活跃的纳米光子器件的构建块,包括发光二极管(led)、激光器、探测器(63年,64年]。明显,组装和电驱动纳米源和探测器模块完全集成纳米光子系统可以允许使用应用程序从biodetection通过信息处理。纳米线的二元氧化物曾在这工作,因为各种有益的属性,包括极端机械灵活性和化学稳定性。

SnO₂,在最近的研究里它又显示出作为一个优秀的亚波长波导由于defect-related PL乐队在2.5 eV(绿色)和2.1 eV(橙色)(图10)[65年]。Nonresonant波导(即。,subbandgap light) in these structures can be achieved by simply focusing laser diodes on the end facet of the nanowire. SnO₂电线尺寸100 nm和400 nm之间,一个最优尺寸范围有效地指导可见光和紫外线波长的高折射率的SnO₂()。光学活性纳米线之间的联系(GaN和氧化锌)和被动纳米线(SnO₂)可以通过切向损耗耦合形成(图11)。已经表明,交错的配置中,在主动和被动元素交互在几微米,优于桥接,或直接端到端耦合。弱耦合是通过惊人的结构与薄气隙(几百纳米),允许通信通过隧道的隐失波(66年]。进一步整合,可以创造更多的功能性几何图形,如支光学中心和马赫曾德耳干涉仪(光学调节器),使用移相的电光效应。高频电驱动的集成与被动纳米线波导激光器是下一步对光学信息的有效转换和路由数据包在一个光学计算机或通信设备(67年]。然而,室温下的目标,电动nanolasers,仍然是当前研究的活跃领域。

4所示。总结和观点

总之,我们提供一个全面审查的最先进的研究活动集中在理性的合成(如纳米线、纳米带、纳米管和异质结构)和潜在的应用程序(例如,气体传感器、锂离子电池和纳米光子学)1 d SnO₂纳米结构。的成就,直到现在,对1 d SnO的设备应用程序₂纳米结构应该激发越来越多的研究努力解决剩下的挑战在未来在这个有趣的领域。

控制操作的物质在纳米尺度上也会导致迷人的和新颖的行为和影响设备性能。合理控制键1 d SnO的能力₂纳米结构参数在增长,制造intra-NW异质结构与定义良好的68年,自动突然水晶接口应进一步增加1 d SnO的多功能性₂nanostructure-based电子和光子设备并减少负载对后续的装配过程。

这种合成控制将是非常有用的用于创建精确定义系统研究量子限制效应的电子和光学特性的修改造成的纳米结构的电子态密度和援助在发展中新颖的纳米光子器件。

展望未来,在纳米结构的合成与广泛的研究,准确地控制尺寸和组合,一个关键的理解修改后的材料在纳米尺度上的性质,用精致的空间和纳米结构的层次化装配控制,才能取得进步,新的和有趣的纳米系统将创建未来的技术。

承认

作者欣然感谢科学家们引用本文的贡献的研究。

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