Jak zlepšit piezoelektrické vlastnosti ZnO nanostruktur?

Při zkoumání piezoelektrických vlastností ZnO nanostruktur (NS) je patrné, že zmenšení velikosti těchto struktur může vést k významnému zlepšení jejich výkonu. Zmenšení rozměrů způsobuje zvýšení polarizace na jednotku objemu, což má přímý vliv na intenzitu piezoelektrického jevu. Například, jak ukázala studie Li et al. [43], hodnota d33, která měří piezoelektrickou citlivost, vzrostla z 18,2 na 46,9 pm/V, když byla průměrná velikost mikrosloupců zmenšena z 7 na 1,5 μm. Tento nárůst je způsoben tím, že menší velikosti vedou k vyšší polarizaci na jednotku objemu, což je výraznější při menších měřítkách [43, 44].

Další výhodou menších nanostruktur je nižší počet strukturálních defektů, jako jsou dislokace a vakance, které mohou bránit pohybu polarizovaných nábojů. Vysoká krystalinitá nanostruktur může tyto defekty minimalizovat, což vede k výraznému zlepšení piezoelektrických vlastností. Příkladem může být výzkum Zhao et al. [47], kteří pozorovali vynikající hodnoty d33 (26,7 pm/V) u ZnO nanobeltů, přičemž tento výsledek přisuzovali dokonalé jednofázové krystalinitě a absenci dislokací.

Dopad kvantové konfinece na elektronické vlastnosti ZnO může rovněž ovlivnit piezoelektrické chování. Při redukci rozměrů na nanometrické úrovni mohou kvantové efekty změnit elektronové vlastnosti, což může vést k výraznému zlepšení piezoelektrické odezvy [48, 49].

Doping hraje zásadní roli při zlepšování piezoelektrických vlastností ZnO nanostruktur. Dopingová metoda může pomoci překonat některá vnitřní omezení a přinést užitečné modifikace. ZnO je inherentně n-typový polovodič, což znamená, že má přebytek volných elektronů, které mohou neutralizovat generovaný piezoelektrický potenciál, což je jev nazývaný vnitřní screening. Doping p-typovými prvky, jako jsou Y3+ nebo Nd3+, může snížit tento přebytek elektronů, čímž se omezí screeningové efekty a zachová generovaný piezopotenciál [57].

Doping rovněž zásadně ovlivňuje piezoelektrické vlastnosti tím, že mění krystalovou strukturu a zavádí napětí, které může vést ke zvýšené polarizaci a vyšším piezoelektrickým koeficientům. Přítomnost iontů s vyšším poměrem náboje k iontovému poloměru než Zn2+, jako jsou Y3+ nebo Nd3+, zvyšuje polaritu vazby mezi dopantem a kyslíkem, což umožňuje snadnější ohyb vazeb pod elektrickým polem, čímž se zvyšuje piezoelektrická odezva. Například d33 hodnoty Y-dopovaného ZnO nanosheetu dosáhly hodnoty 420 pm/V, zatímco d33 hodnoty Nd-dopovaného ZnO nanorodů se dostaly až na 512 pm/V, což je srovnatelné s hodnotami u materiálů na bázi PZT [63].

Za zmínku stojí, že vlhkost může mít negativní vliv na piezoelektrické chování ZnO, což je faktor, který by měl být pečlivě kontrolován během výroby [71-73]. To je třeba brát v úvahu při návrhu materiálů pro piezoelektrické aplikace, zejména pro systémy, které budou vystaveny různým environmentálním podmínkám.

Piezoelektrické nanogenerátory (PENG) využívají piezoelektrických vlastností materiálů, jako je ZnO, k přeměně mechanické energie na elektrickou energii na nanoskalní úrovni. Díky vysokým piezoelektrickým koeficientům, mechanické odolnosti a snadné výrobě různých nanostruktur je ZnO ideálním materiálem pro PENG. PENG se skládají z několika klíčových komponent: piezoelektrického materiálu (například ZnO nanovláken, nanorodů, nanotrubek), elektrody, která sbírá generované náboje, a substrátu, který podporuje nanostruktury a poskytuje mechanickou stabilitu.

Při vystavení piezoelektrického materiálu mechanickému stresu dochází k posunu iontů v krystalové mřížce, což vytváří elektrický potenciál, který lze zachytit a využít jako elektrickou energii. Design a optimalizace PENGů je klíčová pro zvýšení jejich účinnosti a výkonu v praktických aplikacích, jako je napájení malých elektronických zařízení, senzorů a nositelné technologie. Správný návrh PENGů vyžaduje pečlivé zvážení několika faktorů, jako jsou velikost, geometrie a struktura piezoelektrického materiálu, stejně jako efektivita sběru elektrické energie pomocí elektrody a substrátu.

Jak vnitřní elektrické pole ovlivňuje výkon fotodetektorů UV záření?

Vlastnosti polovodičového materiálu mají zásadní vliv na intenzitu a chování vnitřního elektrického pole, což přímo ovlivňuje citlivost a efektivitu fotodetektorů UV záření. Příkladem tohoto efektu je vývoj p-NiO/n-ZnO heterojunkčních UV fotodetektorů, které využívají Fermiho úroveň k vytvoření vnitřního elektrického pole. Toto pole zesiluje fotokonduktivitu zařízení, což se projevuje ve zvýšeném proudu jak při předním, tak při zpětném napětí během expozice UV záření. Takovýto detektor vykazuje vysokou citlivost a zlepšení výkonu [80].

Další ukázkou jsou ZnO/SnO2 heterojunkce, kde také došlo k výraznému zvýšení proudu pod UV světlem, což je způsobeno efektivním oddělením fotogenerovaných nosičů náboje díky vnitřnímu elektrickému poli. Tento typ fotodetektoru vykazuje vysokou citlivost, zejména při vlnové délce 300 nm [81]. Zajímavým příkladem pokroku ve vývoji heterojunkčních detektorů je práce Fangovy skupiny, která navrhla ZnS/ZnO biaxiální nanostruktury na bázi nanovláken, které vykazují lepší výkon než čisté ZnO nebo ZnS struktury díky synergickým efektům heterojunkce [82].

Homojunkční a heterojunkční fotodetektory UV záření nabízejí významné výhody, jako je zlepšení fotokonduktivity a výkonu zařízení díky vnitřnímu elektrickému poli. I přesto, že tyto typy fotodetektorů vykazují výborné výsledky, jejich výroba a potenciál pro vznik defektů, které mohou ovlivnit výkon, představují výzvy. Pokroky v těchto technologiích však naznačují jejich velký potenciál pro aplikace s vysokým výkonem detekce UV záření.

Tyto samo napájené UV fotodetektory mají několik výhod: minimální spotřebu energie, což řeší problémy s energetickou náročností, a možnost zmenšení velikosti zařízení ve srovnání s konvenčními fotodetektory. Kromě toho vykazují rychlejší fotokondukci, protože jejich vnitřní elektrická pole rychle separují a transportují fotogenerované nosiče náboje při UV osvětlení. Výzkum v této oblasti je intenzivní, přičemž vědecké týmy se zaměřují na různé struktury ZnO nanomateriálů pro vývoj samo napájených fotodetektorů UV záření.

Schottkyho junktce založené na samo napájených UV fotodetektorech využívají intrinsické vlastnosti ZnO a jeho schopnost fungovat bez vnějšího napájení. Tyto zařízení těží z vnitřního elektrického pole, které vzniká na rozhraní kov-polovodič, což umožňuje efektivní separaci a transport nosičů náboje při UV expozici. Významné pokroky v této oblasti ukazuje studie Zhangovy skupiny, která vyvinula samo napájený fotodetektor s Sb-dopovaným ZnO nanovláknem, které funguje mezi ohmickým (Ag) a Schottkyho (Au) kontaktem. Tento detektor vykazuje zvýšenou generaci fotoprůtoku, která se zvýšila z 1 na 23 nA při UV osvětlení bez bias napětí, což je přičítáno vysoké hustotě donorových nečistot v důsledku Sb dopování, které posiluje elektrické pole v zařízení [38].

Jiným přístupem je použití grafenu v kombinaci s hliníkem dopovaným ZnO nanorourkami, který vytváří Schottkyho junktci s grafenem. Tento design byl optimalizován dopováním grafenu Au3+ a úpravou povrchu nanovláken, což vedlo k vylepšeným samo napájecím schopnostem a lepšímu výkonu zařízení při UV záření [99]. Asymetrický design Schottkyho junktcí má klíčovou roli při zvyšování schopnosti detekce UV záření, protože změněné elektrické pole umožňuje lepší oddělení nábojů při nulovém bias napětí. Tento typ detektoru vykazuje vynikající odpověď při rychlých časech reakce a zotavení.

Další důležitou oblastí jsou p–n junktce, které se používají v samo napájených UV fotodetektorech. Inorganické homojunkce a heterojunkce se zakládají na spontánní difuzi elektronů a děr, která vytváří vnitřní elektrické pole na p-n rozhraní. Toto pole je zásadní pro separaci a transport fotogenerovaných nosičů pod UV osvětlením bez potřeby vnějšího napájení. Tyto zařízení se vyznačují tím, že mohou fungovat nezávisle na vnějším napájení, což vede k výraznému snížení spotřeby energie a velikosti zařízení. V současnosti existují studie, které potvrzují zlepšený výkon těchto zařízení v UV světle s rychlými časy odezvy [102].

Jak zlepšit citlivost a selektivitu plynových senzorů na bázi ZnO nanostruktur?

Citlivost polovodičových senzorů plynu zásadně ovlivňuje schopnost povrchu materiálu interagovat s molekulami plynu. Zvláště u oxidů kovů, jako je oxid zinečnatý (ZnO), hraje klíčovou roli specifická povrchová oblast, která umožňuje efektivní adsorpci a desorpci molekul. Nanostrukturované formy ZnO, díky své obrovské specifické ploše, nabízí výrazně vyšší reaktivitu než jejich objemové protějšky. Tento rozdíl přináší schopnost detekce velmi nízkých koncentrací plynů a zároveň zajišťuje vyšší selektivitu vůči různým typům molekul.

ZnO se řadí mezi materiály n-typu a je přirozeně netoxický, chemicky stabilní a snadno zpracovatelný. Tato kombinace vlastností z něj činí výjimečně atraktivní materiál pro vývoj plynových senzorů nové generace. V přítomnosti kyslíku na jeho povrchu dochází k tvorbě chemisorbovaných iontů kyslíku, které odebírají elektrony z vodivostního pásu ZnO. Tímto se zvyšuje odpor materiálu. Jakmile však senzor přijde do kontaktu s redukujícím plynem, dojde k reakci těchto iontů s plynem, čímž se uvolní elektrony zpět do vodivostního pásma a odpor se sníží. Tato změna odporu je základním měřitelným výstupem senzorického procesu.

Pro zlepšení výkonu ZnO senzorů byly vyvinuty rozmanité strategie modifikace nanostruktur. Patří mezi ně dopování kovy, dekorace povrchu nanočásticemi drahých kovů, tvorba kompozitů s jinými oxidy kovů, integrace uhlíkových nanomateriálů, aktivace ultrafialovým zářením nebo ozařování elektronovým svazkem. Každá z těchto metod zásadním způsobem mění elektronické, morfologické nebo povrchové vlastnosti ZnO, a tím i jeho odezvu na specifické plyny.

Různé morfologie ZnO jako nanodrátky, nanotyčinky, nanoplátky, nanoflowery, nanovlákna nebo tenké vrstvy, se získávají metodami jako je hydrotermální syntéza, elektrospinning, sol-gel technika, MOCVD, radiofrekvenční naprašování či epitaxe molekulovým svazkem. Různorodost těchto morfologií není pouze estetická – každý tvar přináší odlišnou hustotu aktivních míst a transportních vlastností, což umožňuje cílené ladění citlivosti a selektivity senzorů.

ZnO senzory se využívají v celé řadě průmyslových aplikací: detekce vodíku ve vodíkových článcích, kontrola emisí NO₂ v automobilovém průmyslu, sledování úniků uhlovodíků v rafinériích, nebo detekce čpavku při výrobě hnojiv. V těchto aplikacích je žádoucí, aby senzor byl nejen citlivý, ale také spolehlivý, kompaktní, energeticky úsporný a cenově dostupný.

Vysoká provozní teplota ZnO senzorů, která je obvykle potřebná pro aktivaci redox reakcí na povrchu, však s sebou přináší komplikace. Povrchová morfologie ZnO se při vysokých teplotách mění, dochází k degradaci citlivosti a snižuje se hustota chemisorbovaných iontů kyslíku. Proto se vědci zaměřují na alternativní způsoby aktivace – například UV osvitem, který napomáhá excitaci elektronů bez nutnosti zvýšené teploty, nebo na kombinaci ZnO s jinými polovodičovými strukturami pro zlepšení přenosu náboje.

Důležitým směrem vývoje je tvorba hybridních struktur – kombinací organických a anorganických vrstev, které se původně uplatnily zejména ve fotovoltaice, ale nyní nacházejí uplatnění i v senzorice. Studie ukázaly, že modifikace rozhraní pomocí kationických polymerů nebo dopování prvky jako je hliník, může výrazně ovlivnit vodivostní vlastnosti, pohyblivost elektronů a životnost těchto zařízení. Například použití Al-dopovaného ZnO přineslo tenké vrstvy s nižším zbytkovým napětím, většími krystality a vyšší elektronovou mobilitou.

Je důležité rozlišovat mezi typy plynů, na které jsou senzory cíleny – oxidující (např. NO₂) versus redukující (např. CO, H₂, NH₃). Každý z těchto plynů reaguje odlišným způsobem s kyslíkovými ionty na povrchu ZnO. Rovněž by měl být brán zřetel na selektivitu – schopnost rozlišit mezi různými plyny v přítomnosti směsí. Z tohoto důvodu je nezbytné integrovat do senzorových zařízení systémy na zpracování signálu, kalibraci a kompenzaci vlivů prostředí.

Pro pokročilé aplikace v reálném prostředí bude v budoucnu klíčové vývoj multisenzorových polí (sensor arrays), kombinujících různé typy modifikovaných ZnO struktur, a využití metod strojového učení pro analýzu a interpretaci signálů. Tyto systémy slibují zásadní zlepšení ve směru selektivity, stability a inteligentního rozpoznávání plynů.

Jaké jsou vlastnosti a využití nanostruktur oxidu zinečnatého (ZnO) ve fotovoltaice?

Oxid zinečnatý, díky svým unikátním vlastnostem, jako jsou vysoká elektrická vodivost, široký povrch a nastavitelné energetické pásmo, nabízí v oblasti solárních článků mnoho možností využití. Jeho nanostruktury lze aplikovat jako vrstvu pro přenos elektronů, což je klíčové pro zvýšení účinnosti solárních článků. Díky vysoké pohyblivosti elektronů umožňují rychlý a efektivní transport náboje od místa absorpce světla až k elektrodě, což minimalizuje ztráty energie a zlepšuje výkon zařízení.

Další významnou aplikací je použití ZnO nanostruktur jako fotoanody v barvami senzibilizovaných solárních článcích (DSSC). Velká plocha nanostruktur zvyšuje absorpci světla, čímž dochází k efektivnějšímu generování elektrických nosičů. To přímo přispívá k vyšší účinnosti přeměny světla na elektrickou energii. ZnO nanostruktury lze také využít jako mezivrstvu neboli buffer layer, která zlepšuje kompatibilitu jednotlivých vrstev v tenkovrstvých solárních článcích, optimalizuje přechod náboje a minimalizuje recombinaci, tedy nežádoucí ztrátu nosičů náboje.

V souvislosti s vývojem fotovoltaických technologií je třeba chápat, že ZnO nanostruktury jsou součástí třetí generace solárních článků, které se snaží vyvážit nízké výrobní náklady a vysokou účinnost. Zatímco první generace, reprezentovaná převážně monokrystalickým křemíkem, dosahuje vysoké účinnosti přes 25 %, jejich výroba je nákladná a energeticky náročná. Druhá generace, založená na tenkovrstvých technologiích, nabízí levnější alternativu, ale za cenu nižší účinnosti, částečně kvůli omezené absorpci světla a zvýšené recombinaci. Nanostrukturované fotovoltaické články s použitím materiálů jako ZnO otevírají nové možnosti, jak zvýšit výkon a zároveň zachovat nízké náklady.

Důležité je rovněž uvědomit si, že fyzikální vlastnosti ZnO nanostruktur lze přizpůsobovat jejich morfologií (například nanowire, nanoparticle, nanotube), což ovlivňuje nejen jejich optické a elektrické vlastnosti, ale také kompatibilitu s dalšími materiály v solárním článku. Výzkumy ukazují, že tvar a velikost těchto nanostruktur mohou zásadně ovlivnit jejich toxicitu vůči biologickým systémům, což je důležité z hlediska environmentální bezpečnosti a recyklace těchto materiálů.

Jak ZnO nanopartikule odstraňují těžké kovy z kontaminované vody?

Přírodní biomolekuly obsažené v biologických zdrojích, jako jsou proteiny, enzymy či polysacharidy, hrají klíčovou roli při syntéze ZnO nanopartikulí (NPs). Tyto biomolekuly nejenže redukují zinkové soli na ZnO NPs, ale také stabilizují výsledné částice. ZnO nanopartikule vynikají vysokým povrchovým polem, což výrazně zvyšuje jejich schopnost adsorpce těžkých kovů, například Cd(II), Pb(II), Cr(VI) či Ni(II). Díky vysoké reaktivitě a povrchovému náboji dochází k zachycení kovových iontů na povrchu částic prostřednictvím fyzikální adsorpce, elektrostatických sil nebo chemické redukce.

Tyto mechanismy spočívají především ve vazbě kovových iontů na elektrostatické síly, koordinační vazby či komplexační centra, která se nacházejí na kyslíkových vakancích a dalších aktivních místech povrchu ZnO. Povrch biosyntetizovaných ZnO NPs je navíc modifikován organickými funkčními skupinami pocházejícími z biologických stabilizátorů, což zvyšuje afinitu vůči kovům a zlepšuje kvalitu čištění kontaminované vody. Biologická syntéza umožňuje lepší kontrolu fyzikálních vlastností nanopartiklí, což maximalizuje efektivitu adsorpce.

ZnO nanopartikule lze využít nejen k odstranění těžkých kovů, ale i k jejich detekci prostřednictvím optických a elektrochemických metod. Fotoluminiscence a surface plasmon resonance (SPR) jsou příklady fenoménů, které lze využít pro vývoj citlivých testů měnících barvu nebo luminescenci v přítomnosti konkrétních kovových iontů. V kombinaci s biologickou syntézou tak vznikají selektivní senzory vhodné pro rychlé in situ testování znečištěných oblastí. Díky vysoké elektronové mobilitě a rozvinutému povrchu ZnO nanopartiklí lze dosáhnout vyšší citlivosti a rychlosti reakce při elektrochemické detekci stopových množství těžkých kovů, což je důležité pro environmentální monitoring.

Mechanismus interakce ZnO nanopartiklí s těžkými kovy při adsorpci lze rozdělit na dvě hlavní kategorie: fotogenerovaná redukce/oxidace a fyzikální adsorpce. Při ozáření vhodnou vlnovou délkou dochází v ZnO k excitaci elektronů z valenčního do vodivostního pásu, čímž vznikají fotogenerované elektrony a díry. Tyto náboje iniciují tvorbu reaktivních radikálů, které mohou oxidovat nebo redukovat kovové ionty podle jejich redoxního potenciálu. U některých kovových iontů, například Ag+, Cr6+ nebo Pb2+, závisí účinnost odstraňování na použitém světle (UV nebo viditelné), zatímco u jiných iontů, například Cu2+, Mn2+, Ni2+ a Cd2+, nebyl tento vliv pozorován.

Velký povrch a silné adsorpční vlastnosti ZnO NPs je předurčují k efektivnímu odstranění rozličných těžkých kovů, které kontaminují vodní zdroje a mohou negativně ovlivnit růst rostlin i celkové ekosystémy. Například kadmium, toxický prvek obsažený v průmyslových odpadech, se snadno šíří půdou a vodou a představuje závažné riziko pro lidské zdraví i životní prostředí. Odstranění tohoto kovu pomocí ZnO nanopartiklí je proto nejen ekologicky významné, ale i technologicky výhodné.

Výsledky experimentů ukazují, že biosyntetizované ZnO nanopartikule vykazují vysokou adsorpční kapacitu a rychlou kinetiku adsorpce pro různé kovy jako Cd(II), Pb(II), Cr(VI), As(III), Hg(II) či Co(II). Kromě účinnosti je důležitá i možnost regenerace a opakovaného použití adsorbentu, což snižuje náklady a ekologickou zátěž spojenou s čištěním vod.

Endtext