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以一维纳米线的形态存在时，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。纳米线通常指具有更高长径比和更高结晶质量的一维结构。

• 压电电子学与压电纳米发电机 (PENG): 这是ZnO纳米线最核心、最重要的应用。
  • 压电效应: 当对单根ZnO纳米线施加机械应力（如用AFM探针弯曲）时，其内部会产生一个高达数百毫伏的压电电势。
  • 压电纳米发电机: 利用这一效应，可以构建出能够将微小的机械能（如人体运动、声波、气流）直接转化为电能的纳米发电机。这是自驱动系统和微纳能源领域的革命性概念。
• 优异的电子输运性能: 高结晶质量的单晶ZnO纳米线为电子的输运提供了完美的“高速公路”，具有很高的载流子迁移率。这使其成为构建场效应晶体管（FET）、传感器和紫外光电探测器等高性能纳米电子学器件的理想材料。

对ZnO纳米线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CVD生长过程中引入相应的金属有机源，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纳米线，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纳米线最核心的催化应用，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: 纳米线阵列提供了巨大的反应表面积。
  • 高效电荷传输: 一维的单晶纳米线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: 纳米线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。

氧化锌纳米线（ZnO NWs）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。

这是ZnO NWs在生物传感领域最有优势的应用。

• 原理: 将一根单晶ZnO纳米线作为导电沟道，构建成一个场效应晶体管器件。当带电的生物分子（如DNA、蛋白质）吸附到其表面时，会像一个“顶栅”一样，通过场效应极大地改变纳米线沟道内的载流子浓度，从而导致其电导率发生急剧、可测量的变化。
• 优势: ZnO NWs极高的表面积/体积比，使其电导率对表面发生的任何电荷变化都极其敏感，可以实现无标记、实时的超高灵敏度检测。

ZnO纳米线（ZnO NWs）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: 纳米线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。

氧化锌纳米线（ZnO NWs）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 NWs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 NWs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纳米线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、单晶的氧化锌纳米线的合成，通常依赖于在高温下进行的催化生长方法。

这是制备高质量、单晶ZnO NWs最经典、最可控的方法。

• 原理:
  1. 催化剂准备: 首先在基底（如硅片、蓝宝石）上分散一层金属催化剂纳米颗粒（最常用的是金Au）。
  2. 形成合金液滴: 在高温（通常~900 °C）下，将含锌的前驱物（通常是锌粉）和氧气引入反应室。锌蒸气会与金颗粒形成低共熔点的Au-Zn合金液滴。
  3. 过饱和与析出: 氧气不断地溶入液滴，与锌反应生成ZnO。当液滴中的ZnO浓度逐渐达到过饱和状态时。
  4. 一维生长: 单晶ZnO就会从液滴与基底的界面处析出，并将液滴顶起。这个过程持续进行，液滴就像一个“帽子”一样，引领着ZnO纳米线不断地向上“生长”，形成一维结构。
• 优势: VLS法可以生长出结晶质量极高、缺陷密度低、直径均一（由催化剂颗粒大小决定）、且可实现原位掺杂的单晶纳米线，是制备高性能纳米电子器件的基础。

对氧化锌纳米线（ZnO NWs）的精确表征是评估其能否用于电子学和传感应用的关键。对其电学性能和形貌的表征尤为重要。

• 场效应晶体管（FET）性能: 这是评价ZnO NWs电学性质的金标准。通过微纳加工技术，将单根ZnO NWs连接到源、漏电极上，并制作栅极，构建成一个FET器件。通过测量其转移特性曲线（Iᴅ-Vɢ）和输出特性曲线（Iᴅ-Vᴅ），可以精确地得到其开关比（On/Off ratio）、载流子迁移率、阈值电压等核心电学参数。

• 形貌与尺寸: 扫描电子显微镜 (SEM) 是表征ZnO NWs宏观形貌、长度分布、直径分布和阵列排列情况最常用的工具。
• 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)，是鉴定单根纳米线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。

氧化锌纳米线的表面工程是其实现所有生物传感和电子学应用的前提，其核心任务是形成高质量的钝化/栅介质层和共价连接功能分子。

这是获得高性能ZnO NWs电子器件的关键。

• 原理: ZnO NWs表面天然存在大量的缺陷态（如氧空位），这些是电学上的陷阱态，会严重影响其电子输运性质。必须通过化学方法将这些缺陷态饱和掉。
• 典型策略:
  • 原子层沉积 (ALD): 通过ALD技术，可以在ZnO NWs表面精确地、保形地沉积原子级厚度的高质量介电材料（如Al₂O₃, HfO₂）。这层介电层既是完美的表面钝化层，又是FET器件中理想的栅介质层。

这是将ZnO NWs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纳米线表面天然富含羟基（-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 NWs表面。