Transport mechanism in films of porous zinc oxide nanosheets and nanobelts

Project leaders

Roberto Mosca, Pavel Hubik

Agreement

REPUBBLICA CECA - CAS (ex AVCR) - Czech Academy of Sciences

Call

CNR/AVCR 2013-2015

Department

Advanced Manufacturing Systems

Thematic area

Engineering, ICT and technologies for energy and transportation

Status of the project

New

Research proposal

Negli ultimi anni sistemi basati su ZnO nanostrutturato sono divenuti oggetto di un'intensa attività di ricerca negli ultimi anni per il suo carattere di semiconduttore trasparente con un'ampio bandgap di 3.37 eV, un'elevata energia di legame eccitonico (60 meV) a temperatura ambiente e peculiari proprietà piezoelettriche. Inoltre lo ZnO può essere cresciuto sotto forma di diverse nanostrutture le cui proprietà sono discusse in numerosi articoli e rassegne. [5, 7-11] che mostrano come nanostrutture di ZnO nanostrutturato trovino applivazione in una varietà di settori, come l’elettronica, l’optoelettronica, l’ottica, i trasduttori, la generazione di energia, la fotocataalisi, fino alla biomedicina vista la biocompatibilita delle nanostrutture di ZnO. In molte di queste applicazioni la porosità apre nuove opportunità nell’ampliamento del numero di dispositivi possibili.
In particolare, la possibilità di avere sistemi basati su ZnO con un elevato rapporto tra area superficiale e volume ha dimostrato evidenti potenzialità nella sensoristica di gas [6] ed in questo appare molto promettente la disponibilità di materiali nanostrutturati che presentano caratteristiche di mesoporosità [7, 8]. Aggregati (film) di nanostrutture porose di ZnO (nanosheet e nanobelts) sono meno studiati, ma rappresentano una classse di nanosistemi che possono combinare l’alto rapporto superficie-volume con oggetti cristallini 2D- o 3D-like relativamente macroscopici (>100nm). Promettenti applicazioni di questi nanostistemi sono state proposte in sensori di gas, fotorivelatori, sistemi fotocatalitici e dye sensitized solar cells. In tutti questi settori il trasporto di carica è coinvolto o direttamente (rappresenta il segnale di uscita) o in background (mantiene un equilibrio nel nanosistema). Comunque, sistemi nanostrutturati ed in particolare quelli porosi possono presentare proprietà di trasporto fondamentalmente diverse da quelle di cristalli bulk o di film mono o policristallini. Infatti diversi tipi di comportamenti a bassa dimensionalità possono emergere in questi sistemi: nel caso dell’alta porosità il trasporto elettrico d.c. può essere drasticamente soppresso per la presenza di cluster non percolativi di nanosttrutture e/o barriere di potenziaale the la singole nanostrutture. Pertanto la comprensione delle proprietà di trasporto elettrico di nanosheet e nanobelt porosi di ZnO rappresenta un obbiettivo fondamentale il cui conseguimento può contribuire significativamente sia ad un più ampio utilizzo dei nanosistemi basati su ZnO, sia alla compensione dei processi connessi al trasporto di corrente nello ZnO alla micro- e nano-scala, includendo anche l’effeetto delle condizioni ambientali.
Il progetto si baserà su una stretta collaborazione tra i gruppi di IMEM e FZU. IMEM preparerà le nanostrutture ed i relativi film, caratterizzandone le proprietà morfologiche e strutturali, provedendo anche ad una preliminare caratterizzazione eleettrica. E’ bene notare qui che il gruppo dell’IMEM ha recentemente ottenuto nanobelt porosi di ZnO con una nuova procedura [8]. I campioni verranno poi studiati da FZU con particolare attenzzione al magnetotrasporto in un ampio intervallo di temperature, usando metodi sia d.c. che a.c.. I contatti personali supportati dal progetto permetteranno misure comuni oltre ad un efficace confronto sui risultati ottenuti dai due gruppi e sull’efficace prosecuzione dell’attività.

[1] Jagadish, C.; Pearton, S. J. Zinc Oxide Bulk, Thin Films and Nanostructures; Elsevier: New York, 2008.
[2] Xu, S.; Wang, Z. L. One-Dimensional ZnO Nanostructures: Solution Growth and Functional Properties. Nano Res. 2011, 4, 1013–1098
[3] Zha, M.; Calestani, D.; Zappettini, A.; Mosca, R.; Mazzera, M.; Lazzarini, L.; Zanotti, L. Large-area self-catalysed and selective growth of ZnO nanowires. Nanotechnology 2008, 19, 325603.
[4] Fan, Z.; Lu, J. G. Zinc Oxide Nanostructures: Synthesis and Properties. J. Nanosci. Nanotechnol. 2005, 5, 1561–1573.
[5] Schmidt-Mende, L.; McManus-Driscoll, J. L. ZnO – nanostructures, defects, and devices. Mater. Today 2007, 10, 40-48.
[6] Calestani, D.; Mosca, R.; Zappettini, A.; Carotta, M.; Di Natale, V.; Zanotti, L. Growth of ZnO tetrapods for nanostructure-based gas sensors. Sensor Actuat. B-Chem. 2010, 144, 472–478.
[7] Nasi, L.; Calestani, D.; Besagni, T.; Ferro, P.; Fabbri, F.; Licci, F.; Mosca, R. ZnS and ZnO Nanosheets from ZnS(en)0.5 Precursor: Nanoscale Structure and Photocatalytic Properties. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 6960_6965
[8] Nasi, L.; Calestani, D.; Fabbri, F.; Ferro, P.; Besagni, T.; Fedeli, P.;Licci, F.; Mosca, R., Mesoporous single-crystal ZnO nanobelts. submitted to Nano Res.

Research goals

Obiettivi del progetto saranno:

Preparazione di campioni (nanocristalli e test pattern) idonei all’effettuazione di misure di trasporto e magnetotrasporto su film di nanosheet (NS) porosi di ZnO
Individuazione dei meccanismi di trasporto in film di nanosheet porosi di ZnO e separazione dei ruoli delle regioni interne ai NS da quelli delle regioni inter-nanosheet.
Studio delle proprietà di magnetotrasporto di aggregati di NS porosi di ZnO con l’obiettivo di scoprire effetti quantistici (es. bassa localizzazione) legati all’interno delle nanostrutture.
Verifica dell’influenza delle condizioni di sintesi dei NS e di preparazione dei film sulle proprietà di trasporto dei film stessi, con particolare attenzione alla formazione di cluster percolativi per il trasporto d.c.
Realizzazione di campioni idonei all’effettuazione di misure di trasporto e magnetotrasporto su film di nanobelt (NB) porosi di ZnO cresciuti su substrati isolanti (e.g. allumina).
Determinare le caratteristiche di base del trasporto elettrico in strutture basate su nanobelt porosi di ZnO con l’obiettivo di trovare le condizioni adatte per una indagine accurata dei meccanismi di trasporto in questi sistemi.

 

Last update: 08/08/2025