宏观块材ZnO是一种多功能的II-VI族宽带隙半导体。

• 宽直接带隙半导体: ZnO拥有约3.37 eV的宽直接带隙，这赋予了它对紫外光有强烈的吸收，是优异的紫外屏蔽材料。
• 高激子束缚能: 在室温下，ZnO的激子束缚能高达约60 meV，使其具有高效的带边紫外发光潜力。

当ZnO以一维纳米棒的形态存在时，其由各向异性和压电半导体特性主导的纳米效应变得尤为突出。

• 压电电子学与压电光电子学效应: 这是ZnO纳米棒最核心、最独特的特性。
  • 压电效应: ZnO的纤锌矿结构沿c轴（即纳米棒的生长方向）不具备中心反演对称性。当对ZnO纳米棒施加机械应力（如弯曲或压缩）时，其内部会产生一个压电电势。
  • 压电电子学: 这个由应力产生的压电电势可以像一个“栅极电压”一样，有效地调控纳米棒内部或其界面处的载流子输运过程。这为制造新型的压力传感器、触觉传感器和人机交互界面提供了全新的机理。
  • 压电光电子学: 压电电势同样可以调控光电过程，如光生载流子的分离和复合效率。例如，通过应力可以调控ZnO纳米棒LED的发光强度或太阳能电池的转换效率。
• 巨大的比表面积: 垂直生长的ZnO纳米棒阵列具有极高的比表面积，为光催化、气体传感和染料敏化太阳能电池等应用提供了理想的结构。

对ZnO纳米棒进行元素掺杂是调控其电学、光学和磁学性质的核心手段。

目标: 增强导电性，用于透明导电薄膜、传感器和电子器件。

• III族元素替代Zn: 这是最成熟、最有效的n型掺杂方式。通过在水热合成液中加入相应的金属盐，可以实现原位掺杂。
  • 铝 (Al): Al³⁺替代Zn²⁺，提供一个额外的自由电子。
  • 镓 (Ga): Ga³⁺半径与Zn²⁺相近，晶格畸变小，可实现更高浓度的有效掺杂。

目标: 实现p型半导体，以构建ZnO基的同质结光电器件（如LED）。这是ZnO研究领域长期以来的“圣杯”，但挑战巨大，主要原因是本征施主缺陷（如氧空位）引起的自补偿效应。

ZnO纳米棒，特别是垂直生长的阵列，由于其巨大的比表面积和优异的电荷传输特性，在光催化和光电催化领域是一种极具潜力的材料。

这是ZnO纳米棒最核心的催化应用，主要用于环境净化。

• 基本原理: 在紫外光照射下，ZnO产生高活性的电子-空穴对 (e⁻-h⁺)，进而生成强氧化性的活性氧物种（ROS）来降解有机污染物。
• 结构优势:
  • 高比表面积: 纳米棒阵列提供了巨大的反应表面积。
  • 高效电荷传输: 一维的纳米棒结构为光生电子的快速传输提供了“高速公路”，可以有效地将电子导出至基底，从而促进电子-空穴对的分离，抑制其复合，提高光催化量子效率。
  • 陷光效应: 纳米棒阵列结构可以多次反射和散射入射光，增加光程，提高光吸收效率。

氧化锌纳米棒（ZnO NRs）凭借其巨大的比表面积、独特的半导体和压电特性，在生物传感领域是一种极具潜力的多功能平台。

由ZnO NRs阵列构成的电极是构建高灵敏度、高稳定性电化学生物传感器的理想平台。

• 酶基传感器: ZnO纳米棒具有高的等电点（~9.5），非常适合固定低等电点的酶（如葡萄糖氧化酶, GOD）。其巨大的比表面积可以固定大量的酶，从而显著放大电化学信号，提高传感器的灵敏度。

这是基于ZnO纳米棒独特性质的新型传感策略。

• 原理: 将生物识别分子（如抗体）固定在ZnO纳米棒的尖端。当目标生物分子（如抗原）与之结合时，其质量的微小增加会改变纳米棒的共振频率。通过测量共振频率的变化，可以实现对生物分子结合事件的无标记、超高灵敏度检测。

ZnO纳米棒（ZnO NRs）因其独特的理化性质，在抗菌和抗癌治疗方面展现了巨大的应用前景。

ZnO是一种广谱、高效的无机抗菌剂。

• 多重抗菌机理:
  1. 活性氧(ROS)生成: ZnO表面在光照下能产生ROS，对细菌造成氧化损伤。
  2. Zn²⁺离子释放: ZnO颗粒在水性环境中会缓慢溶解并释放Zn²⁺，破坏细菌的酶系统。
  3. 物理穿刺: 纳米棒的尖锐形态可能通过物理穿刺的方式破坏细菌的细胞膜。

研究表明ZnO纳米材料对多种癌细胞表现出选择性杀伤作用，而对正常细胞的毒性相对较低。

• 选择性毒性机理: 癌细胞的酸性微环境会加速ZnO的溶解，从而在肿瘤细胞内部和周围局部释放出超高浓度的、具有细胞毒性的Zn²⁺离子。

ZnO纳米棒（ZnO NRs）的生物安全性是一个需要综合评估的复杂问题，其毒性主要来自于锌离子的释放和其纤维状的形态两个方面。

• 锌离子（Zn²⁺）的细胞毒性: 这是ZnO NRs毒性的主要来源。ZnO在生理环境中（特别是在酸性的溶酶体中）会缓慢溶解并释放出Zn²⁺，高浓度的Zn²⁺对哺乳动物细胞具有显著毒性，其机制主要是通过诱导氧化应激和干扰线粒体功能。
• 类石棉效应 (Asbestos-like Effect): 这是评估所有高长径比纳米材料安全性的一个核心概念。如果ZnO NRs的长度足够长（> 15-20 μm）、刚性足够强且生物持久性足够高，它们可能会在被吸入肺部后，因无法被巨噬细胞完全吞噬而引发持续的、慢性的炎症反应。

通过表面工程，在ZnO纳米棒表面包覆一层致密的、生物相容的保护壳（如二氧化硅、聚合物），是隔绝其与生物环境接触、阻止离子释放、从而降低其毒性的最有效策略。

高质量、取向一致的氧化锌纳米棒阵列的合成，几乎完全依赖于一种极其简便、低成本、环境友好的方法——低温水热法。

这是在各种基底上生长垂直取向ZnO纳米棒阵列的金标准方法。

• 原理:
  1. 晶种层制备: 首先，在目标基底（如玻璃、硅片、柔性塑料）上通过旋涂或浸渍提拉等方法，涂覆一层极薄的ZnO纳米颗粒“晶种层”，然后进行热处理。
  2. 水热生长: 将带有晶种层的基底倒扣，浸入到一个含有锌盐（通常是硝酸锌, Zn(NO₃)₂）和一种pH缓冲剂/结构导向剂（最常用的是六亚甲基四胺, HMTA）的混合水溶液中。
  3. 密封加热: 将整个体系密封，在相对低温下（通常70-95 °C）加热数小时。在加热过程中，HMTA会缓慢分解，提供OH⁻，使Zn²⁺缓慢地水解、沉积。晶种层的存在为ZnO的异质外延生长提供了成核位点，并诱导其沿着热力学上最稳定的c轴[0001]方向择优生长，最终形成垂直于基底的、高度有序的纳米棒阵列。
• 优势: 这种方法条件极其温和（成本极低，且可以应用于包括柔性塑料在内的各种不耐高温的基底，是其能够被广泛研究和应用的关键。

对氧化锌纳米棒（ZnO NRs）的精确表征是评估其能否用于电子学和传感应用的关键。对其形貌、晶体结构和光学性质的表征尤为重要。

• 形貌、尺寸与取向: 扫描电子显微镜 (SEM) 是表征ZnO NRs宏观形貌、长度分布、直径分布和阵列取向情况最常用的工具。
• 晶体结构与生长方向: 透射电子显微镜 (TEM)，特别是高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 和选区电子衍射 (SAED)，是鉴定单根纳米棒结晶质量的核心技术。可以确定其是否为单晶、鉴定其为纤锌矿结构，并精确判断其晶体生长方向为[0001]方向。
• 物相与晶型鉴定: X射线衍射 (XRD)。XRD谱图上极强的（002）衍射峰是纳米棒阵列沿c轴择优生长的直接证据。

• 发光特性与缺陷能级: 光致发光光谱 (PL)。通常包含两个主要发射峰：一个是~380 nm附近的紫外带边发射，反映了材料的结晶质量；另一个是可见光区的宽谱缺陷发射（通常是绿光），反映了内部缺陷（如氧空位）的种类和浓度。

氧化锌纳米棒的表面工程是其实现所有应用（特别是生物医学和电子学）的前提，其核心任务是钝化表面缺陷和共价连接功能分子。

这是获得高性能ZnO NRs光电和生物应用的关键。

• 构建核-壳结构: 在ZnO纳米棒核外包覆一层其它材料的壳层，形成核-壳结构。
  • ZnO@ZnS/MgO: 包覆一层更宽带隙的半导体壳，可以有效地钝化表面缺陷，极大地增强紫外发光，并抑制可见光区的缺陷发光。
  • ZnO@SiO₂: 包覆一层二氧化硅，可以在提供化学保护、降低其生物毒性的同时，赋予其易于功能化的表面。

这是将ZnO NRs与生物系统连接，实现生物传感的关键。

• 硅烷化学: 这是最经典的表面修饰方法。
  1. ZnO纳米棒表面天然富含羟基（-OH）。
  2. 利用氨基硅烷（如APTES）进行处理，可以在其表面引入大量的氨基（-NH₂）。
  3. 最后，利用这些氨基作为“化学手柄”，通过EDC/NHS化学等偶联反应，将抗体、DNA探针等生物识别分子共价地连接到ZnO NRs表面。