Nano Select:插接型非极性氧化锌二维纳米帆阵列

纳米材料由于表面效应、小尺寸效应、量子效应、隧道效应而展现出独特迷人的性能,并且这些性能会随着纳米材料的尺寸和形貌的变化而发生改变。作为宽禁带半导体之一,丰富的氧化锌纳米结构不断涌现,广泛应用于压电、传感、发光二极管、催化、太阳能电池和光电化学水分解领域。相较于一维纳米材料,二维纳米结构具有更大的表面积和比表面积以及特定晶面,有利于光吸收和电子传输从而提高器件性能。近期,研究人员合成出氧化锌纳米片和纳米墙,这些二维结构增强了材料的气敏和光电探测性能,提高了染料敏化太阳能电池的光电响应,大幅提升了纳米发电机的输出电流。然而,绝大部分二维氧化锌纳米材料制备于硅、蓝宝石、金属、玻璃和柔软衬底,因而呈现多晶结构,并且排列不够整齐。多晶材料含有大量晶界,电子陷阱/散射使得载流子迁移率显著下降,从而损害器件性能。二维整齐氧化锌单晶纳米结构的制备仍然是一项具有挑战性的工作。

中科院福建物质结构研究所叶宁课题组颜涛副研究员与台湾中山大学周明奇教授和济南大学周伟家教授合作,利用低晶格失配的LiGaO2衬底以及ZnO自身的各向异性与结晶学等价性,制备出新型二维纳米结构:插接型非极性氧化锌纳米帆阵列,并对其形貌、结构和光学特性进行了系统表征。尽管有五个生长方向,样品整体为单晶结构,法向为非极性[11-20]方向,可消除量子限域效应的影响。相较于极性纳米六棱柱阵列和非极性薄膜样品,非极性氧化锌纳米帆阵列具有更强的光吸收、更高的光电流密度(620 μA/cm2 at 0.2 V)、更高的光转换效率(0.16%)和更大的光开关比(190)。增强的光电化学性能主要归结于该单晶纳米阵列结构的特性,包括大的表面积、大的比表面积和非极性特征。

研究者相信,此项研究提供了一种简单、低成本、无图案化制备整齐二维纳米帆阵列结构的途径和方法。相关论文在线发表在Nano Select (DOI: 10.1002/nano.202000273)上。