Publication|Multiple regulation effects of ammonium acetate on ZnO growth process in chemical bath deposition

【引言】

对于新型的功能性材料，通常需要设计合成不同形态的拓扑结构，来满足其在不同领域的应用。ZnO作为常用的多功能材料，可以在简易温和条件下制备出多种形貌的高质量单晶结构；已经被广泛应用到生物，医学，能源等领域。ZnO晶体从结晶成核，Ostwald熟化到定向自组装过程均可实现最终形貌的调控。因此，深入了解各种因素对其生长机理的调节作用，进而调控其生长过程，实现形貌结构的调控有着重要意义。本文引入乙酸铵作为结构调节剂，合成了不同形貌结构的ZnO晶体；并详细探究了其从结晶成核到生长成最终形貌结构整个过程中，乙酸铵的调控机理。

【成果简介】

本文在常用的Zn(NO₃)₂-HMTA化学浴沉积ZnO体系中，引入乙酸铵作为形态调节剂，合成了海胆型、棒型和哑铃型单晶ZnO结构。并通过SEM、TEM、XPS和XRD技术原位跟踪检测了整个晶体生长过程。直接观测到ZnO的结晶成核经历了Zn₂⁺--层基锌盐--ZnO过程；同时其定向自组装单体随着乙酸铵浓度的升高，从最初的海胆型，逐渐变成规则棒状结构，最后成为双耦合的对称哑铃状结构。在~10 mM左右的乙酸铵浓度下，得到了规则的六边形棒组合结构；且在其生长过程中观察到原位的溶解--再成核--再生长过程。其中乙酸铵的调节机理主要包括：1）乙酸根离子通过配位到富Zn的（0001）面诱导的配体-配体相互作用；2）铵根离子通过调节HMTA的水解作用调控整个体系的离子浓度。最后通过光电化学测试（PEC）对合成的材料进行了进一步的表征。上述结果，进一步揭示了ZnO生长过程中的形态学变化机理；为进一步合成新型ZnO结构，进而拓展其应用提供了更多的支持。

【图文导读】

图1. （a）ZnO形态结构转变示意图；（b-e）不同乙酸铵浓度下合成ZnO晶体的SEM图像；（f）和（g）分别是其对应的长度、直径和长径比变化曲线；（h）XRD曲线。

图2. （a-b）和（c-d）分别对应Y-0和Y-10的TEM图像；其中插图是相应的SAED图像。

图3. （a）乙酸铵多重调节机理的示意图；（b-d）不同条件下合成ZnO的顶端图像；（e-f）和（g-h）分别是合成ZnO的长度、直径和长径比随Zn(NO₃)₂和HMTA浓度的变化曲线。

图4. 不同乙酸铵浓度下，ZnO晶体结构随生长时间变化的SEM图像。其中（a）代表结晶成核过程；（b），（c），（d）和（e）分别对应 0，6，10和20 mM乙酸铵。

【文章题目】

Multiple Regulation Effects of Ammonium Acetate on ZnO GrowthProcess in Chemical Bath Deposition 论文通讯作者为马雷教授，第一作者为博士生刘根。相关研究成果刊登于Chemistry—A European Journal, 2021, 27, 1-9. https://doi.org/10.1002/chem.202103064