单晶自组装ZnO纳米花和纳米棒嵌入表面的地形分形分析：用于选择性乙醇传感

《Surfaces and Interfaces》：Topographical Fractal Analysis Of Single Crystalline, Self Assembled ZnO Nanoflowers And Nanorods Embedded Surfaces Selective For Ethanol Sensing

　　

Sujata Shinde | Vandana Shinde

印度北马哈拉施特拉邦卡瓦伊特里·巴希纳拜·乔杜里大学化学技术学院，贾尔冈，425001

摘要

通过水热法制备的自组装纳米花及其转化为六边形结构的ZnO纳米棒。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、紫外-可见光（UV-Vis）光谱、光致发光（PL）光谱、ζ电位研究、原子力显微镜（AFM）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和透射电子显微镜（TEM）对其结构、光学和形态进行了分析。对两种ZnO样品进行了ζ电位分析，以确定其分散性、电荷种类和迁移率。为了了解薄膜的表面纹理和传感元件的功能，处理了由纳米花和纳米棒合成的薄膜的AFM图像。计算了这些薄膜的统计拓扑分形参数，包括分形维数、相关长度、粗糙度以及与薄膜纹理相关的一些统计函数。与纳米棒相比，基于ZnO纳米花的传感器表现出更优异的乙醇传感性能。纳米花表现出显著的气体响应特性，包括快速响应（约3秒）、迅速恢复（约11秒）、良好的重复性以及在操作温度（约350°C）下对乙醇的更高选择性。基于XRD图的全局模式拟合、Urbach能量、电子衍射结果、ZnO纳米结构的电荷种类迁移率以及分形分析（如自相关函数、高度分布、功率谱密度函数、高度-高度相关函数、Minkowski边界、Minkowski连通性、角谱图）对乙醇传感机制进行了评估。

部分摘录

引言

在2000年之前，研究人员已经开始研究氧化锌（ZnO）薄膜作为气体传感器的潜力，包括检测乙醇等气体[[1], [2], [3], [4]]。由于挥发性有机化合物（VOCs），尤其是乙醇的广泛使用及其对健康和安全的潜在危害，近年来人们对这些化合物的关注日益增加。乙醇在工业过程中被广泛应用，

材料

分析级化学品六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂.6H₂O）和NaOH从印度孟买的S.d.fine-Chem有限公司购买，六亚甲基四胺（HMT）((CH₂)₆N₄)从Qualigens India购买，购买时纯度为99%，无需进一步纯化即可使用。

ZnO纳米花和纳米棒的合成

ZnO纳米花的水热合成采用了Yanhong Tong等人[44]报告的工艺，并进行了一些修改。反应溶液是通过混合0.05 M硝酸锌制备的

XRD结果

为了了解反应3小时和6小时后合成的ZnO样品的结构和缺陷，进行了XRD测量。图2（a）显示了使用硝酸锌、HMT和NaOH前驱体通过水热法合成的ZnO样品的XRD图谱。两种反应时间下的样品都显示出明确的衍射峰，表明其具有晶体性质。这些峰归因于ZnO六方相的形成。

结论

通过XRD、UV-Vis、PL、FTIR、拉曼、FESEM、TEM和AFM分析，研究了水热合成的自组装单晶ZnO纳米花的结构、光学、形态和拓扑特性及其转化为星形六边形纳米棒的过程。ζ电位测量显示，与ZnO纳米棒相比，ZnO纳米花具有高迁移率的负离子物种和良好的稳定性。RMS粗糙度、偏度、峰度等参数也进行了分析。

作者声明

Sujata Shinde：撰写——原始草稿、可视化、方法论、正式分析。资源整理。

Vandana Shinde：撰写——审阅与编辑、数据管理、资源整理、可视化、结果分析、软件数据验证。

CRediT作者贡献声明

Sujata Shinde：撰写——原始草稿、资源整理、方法论、正式分析、数据管理。Vandana Shinde：审阅与编辑、可视化、软件验证、资源整理、调查、正式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

作者不是该期刊的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，也未参与本文的编辑审查或发表决定。

致谢

作者衷心感谢卡瓦伊特里·巴希纳拜·乔杜里北马哈拉施特拉大学前副校长Hon’ble Prof. P. P. Patil在实验工作期间的合作、指导和支持。