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。
• 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以二维纳米片的形态存在时，其由极性晶面和巨大的比表面积主导的纳米效应变得尤为突出。

• 暴露的高活性极性面: 这是ZnO纳米片最核心、最重要的特性。ZnO纳米片通常是沿着[0001]方向受到抑制而优先在侧向生长形成的。这导致其两个巨大的上下表面分别是带正电的、由Zn原子终止的(0001)面和带负电的、由O原子终止的(000-1)面。这两个具有相反电荷和不同化学反应性的极性面，是其在催化、传感和选择性生长等领域具有独特优势的根源。
• 优异的压电性能: ZnO纳米片的压电效应主要来自于其c轴方向的极性。二维的片状结构使其在受到面外弯曲或拉伸时，能够产生显著的压电电势，是构建柔性、透明压电传感器和纳米发电机的理想材料。
• 巨大的比表面积: 超薄的二维结构使其具有极高的比表面积，为光催化、气体传感和药物递送等应用提供了大量的活性位点。

对ZnO纳米片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纳米片由于其暴露的高活性极性面和巨大的比表面积，在光催化领域是一种性能卓越的催化剂。

这是ZnO纳米片在催化领域最核心的应用。

• 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。
• 极性面驱动的电荷分离: ZnO纳米片的(0001)-Zn面和(000-1)-O面之间存在一个内建电场。这个电场可以高效地驱动光生电子和空穴分别向相反的两个表面迁移。电子倾向于富集在(0001)-Zn面上（成为还原面），而空穴倾向于富集在(000-1)-O面上（成为氧化面）。这种空间上的电荷分离极大地抑制了电子-空穴对的复合，从而显著提高了光催化量子效率，使其光催化活性远高于无定形的ZnO纳米颗粒。

氧化锌纳米片（ZnO NSs）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 NSs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纳米片具有高的等电点（~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ZnO NSs在生物传感领域最有优势的应用。

• 原理: 将单片ZnO纳米片作为导电沟道，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片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。

ZnO纳米片（ZnO NSs）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. 物理切割: 纳米片的锋利边缘可能通过物理切割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纳米片（ZnO NSs）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二维片状的形态两个方面。

• 锌离子（Zn²⁺）的细胞毒性: 这是ZnO NSs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。
• 物理损伤风险: 大尺寸、边缘锋利的ZnO片可能会像“纳米刀片”一样，通过物理切割的方式破坏细胞膜的完整性。

通过表面工程，在ZnO纳米片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。

高质量的氧化锌纳米片的合成，通常依赖于在溶液中通过各向异性生长来实现。

这是制备ZnO纳米片最常用、最简便的方法。

• 原理:
  1. 反应体系: 在水溶液或有机溶剂（如乙醇）中，将锌的前驱体（通常是醋酸锌, Zn(Ac)₂）和一种碱（如氢氧化钠NaOH或氢氧化锂LiOH）混合。
  2. 形貌控制剂: 通过向反应体系中引入特定的阴离子或有机小分子（如柠檬酸根、表面活性剂），这些分子会选择性地吸附在ZnO晶体的(0001)极性面上。
  3. 各向异性生长: 这种选择性吸附会极大地抑制晶体沿c轴[0001]方向的生长，而迫使晶体优先在其它侧向（如[10-10]方向）快速生长，最终形成二维的片状结构。
• 优势: 这种方法条件温和、成本极低，且易于实现大规模生产。

对氧化锌纳米片（ZnO NSs）的精确表征是评估其催化和传感性能的关键。对其形貌和晶面的表征尤为重要。

• 形貌与尺寸: 扫描电子显微镜 (SEM) 和 透射电子显微镜 (TEM) 是表征ZnO NSs宏观和微观形貌、厚度和横向尺寸最常用的工具。
• 晶体结构与暴露晶面: 高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 和选区电子衍射 (SAED)，是鉴定单片纳米片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，并精确判断其暴露的大表面为(0001)晶面。
• 物相与晶型鉴定: X射线衍射 (XRD)。XRD谱图上极强的（002）衍射峰是纳米片沿c轴择优取向的直接证据。

氧化锌纳米片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 NSs光电和生物应用的关键。

• 构建核-壳结构: 在ZnO纳米片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 NSs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纳米片表面天然富含羟基（-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 NSs表面。