紫外光辐照增强化学浴沉积法制备一维铟掺杂氧化锌纳米棒阵列纳米发电机的输出性能

本工作通过化学浴沉积法制备了氧化锌（IZO-0）和铟掺杂氧化锌纳米棒（IZO-3 NR）纳米发电机（NGs），并系统研究了其材料特性与电学性能。研究表明，铟掺杂使纳米棒直径显著增大，并在紫外光辐照下将输出功率从0.7486 nW提升至378.9 nW，性能提高约523倍，为高效压电能量采集提供了新策略。

　　

Highlight

化学品

所有化学品均购自Sigma-Aldric，包括丙酮（99.5%）、甲醇（99.8%）、六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂·6H₂O，98%）、六亚甲基四胺（C₆H₁₂N₄，99%）和水合硝酸铟（In(NO₃)₃·xH₂O，99%）。ITO玻璃基板（方块电阻：7 Ω/sq，厚度：0.7 mm，尺寸：10 mm × 20 mm）和氧化锌陶瓷靶材（3英寸，纯度99.99%）购自台湾瑞龙公司。

IZO纳米棒阵列的合成与纳米发电机制备

实验流程包括基底清洗、氧化锌种子层沉积、氧化锌/IZO-0/IZO-3纳米棒阵列生长及器件封装。（1）ITO玻璃基板依次经丙酮、甲醇和去离子水超声清洗各15分钟，随后用氮气吹干。（2）通过射频磁控溅射在ITO玻璃上沉积厚度约300 nm的氧化锌种子层。（3）将生长溶液置于90°C水浴中反应6小时，溶液含0.05 M Zn(NO₃)₂·6H₂O和0.05 M C₆H₁₂N₄。IZO-3样品额外添加3 at%的In(NO₃)₃·xH₂O作为掺杂源。（4）反应结束后，用去离子水冲洗样品以去除残留反应物，最后在85°C烘箱中干燥2小时。（5）纳米发电机采用三明治结构：上下电极采用铜胶带，整体用热封膜封装以确保结构稳定性。

结果与讨论

通过配备元素分析功能的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）获取了顶视图和截面形貌图像（如图2所示）。使用ImageJ软件分析了IZO-0和IZO-3纳米棒阵列的直径与长度，并从顶视图随机选取30根纳米棒进行直径统计。顶视图显示IZO-0纳米棒阵列呈现六方结构，直径范围约57-127 nm，平均直径约84.5±16.8 nm，长度约2.55±0.07 μm。而IZO-3纳米棒阵列的平均直径增大至94.5±19.1 nm，平均长度约2.61±0.06 μm。截面图清晰显示出纳米棒垂直于基底生长，且IZO-3纳米棒的直径明显大于IZO-0样品。这种尺寸变化主要归因于铟掺杂改变了晶体生长动力学——铟离子吸附于纳米棒表面抑制纵向生长，同时促进径向扩张。

Conclusion

本研究通过化学浴沉积法成功制备了铟掺杂氧化锌纳米棒（NR）阵列纳米发电机（NGs）。IZO-3纳米棒阵列的平均直径为94.5±19.1 nm，平均长度约2.61±0.06 μm。TEM和XRD结果证实纳米棒具有单晶结构，晶格间距为0.265 nm，并沿（002）晶面择优生长。EDS和XPS分析进一步验证了铟元素成功掺入氧化锌晶格。在40 kHz超声波振动和紫外光照射条件下，IZO-3纳米发电机的输出功率达到378.9 nW，较未掺杂样品（0.7486 nW）提升约523倍。这项研究证明铟掺杂可显著增强纳米发电机的压电输出性能，为开发高效能量采集装置提供了重要技术路径。