Zinkstannat nanostrukturer:Dyrkning af en yderst nyttig halvleder

Denne rettidige gennemgang fokuserer på syntesen af ​​zinkstannat (zinktinoxid:ZTO) nanostrukturer ved den hydrotermiske metode, samt de fysiske egenskaber og anvendelser af forskellige zinkstannat nanostrukturer i solceller, gas sensorer, og fotokatalysatorer.

Anmeldelsen er offentliggjort i marts 2011 i tidsskriftet Videnskab og teknologi af avancerede materialer Vol. 12 (2011) s. 013004. Det præsenteres af Sunandan Baruah og Joydeep Dutta fra Asian Institute of Technology, Klong Luang, Thailand.

Binære halvledende oxid nanostrukturer, såsom zinkoxid og titaniumoxid, er meget udbredt i sensorer og katalysatorer. Imidlertid, ternære halvledende oxid nanostrukturer, som viser højere elektrisk ledningsevne og er mere stabile end den binære type, efterspørges i stigende grad efter specifikke applikationer på grund af deres særlige fysiske egenskaber. I modsætning til konventionelle 'top-down' processer, der involverer fysisk nedbrydning af store makroskopiske materialer til nanopartikler, den kemisk baserede 'selvorganisering'-tilgang tilbyder et billigt og fleksibelt middel til præcist at kontrollere størrelsen, krystalstruktur og optoelektroniske egenskaber af halvledende oxidnanostrukturer, hvilket er afgørende for brugen af ​​ZTO i specifikke applikationer.

ZTO nanostrukturer kan fremstilles ved hjælp af en række forskellige metoder, herunder termisk fordampning, høj temperatur kalcinering, mekanisk slibning, sol-gel syntese, hydrotermisk reaktion, og ionbytterreaktion. Forskellige metoder producerer forskellige forhold mellem ZTO-oxider og urenheder, udtrykt i alternative krystalstrukturer. Forfatterne beskriver de relevante træk ved den hydrotermiske vækstmetode til syntetisering af ZTO, herunder høj renhed af det stabile zink -orthostannat Zn ₂ SnO ₄ og den medfølgende 'kubiske spinel' krystalstruktur. I øvrigt, hydrotermisk vækst er en attraktiv og relativt simpel metode, da krystalvækst sker ved milde temperaturer i vand.

Typisk hydrotermisk vækst af ZTO nanostrukturer består i at bruge en vandig blanding af et zinksalt, såsom zinknitrat eller zinkchlorid, og stannichlorid. Denne blanding reduceres derefter ved 200-250 C i natriumhydroxid eller ammoniumhydroxid i et højtryksmiljø. Forskellige metoder til hydrotermisk vækst af ZTO nanostrukturer er detaljeret beskrevet af forfatterne, med varierende slutprodukter med hensyn til krystalstruktur og 'fasesammensætning' - mængder af de særlige producerede oxider.

De fysiske egenskaber af ZTO afhænger af den metode, der anvendes til deres syntese. ZTO er en "wide-gap" halvleder med et båndgap på omkring 3,6 eV, men den præcise båndgab-energi afhænger af syntesebetingelserne, hvilket kan resultere i kvanteindeslutningseffekter som følge af nanostrukturernes lille størrelse. Kontrol af de fotoelektrokemiske egenskaber af ZTO har praktisk betydning, og at relatere ZTO's optiske og elektroniske egenskaber til sammensætningen og krystalstrukturen kan bane vejen for anvendelser af andre komplekse oxider.

Forfatterne beskriver industrielle anvendelser, der stammer fra ZTO's fotoelektrokemiske egenskaber. For det første, som fotokatalysator kan ZTO bruges til at nedbryde skadelige pesticider fra grundvandet; for det andet er de porøse nanostrukturer ideelle til gassensing, da de tilbyder høje overflade- til volumenforhold; og for det tredje har ZTO potentiale inden for farvefølsomme solceller, et økonomisk plausibelt alternativ til konventionelle solceller. I betragtning af at der kun er blevet rapporteret få morfologier, forfatterne formoder, at ZTO nanostrukturer inden for det næste årti vil finde anvendelse i yderligere industrielle applikationer.