Piezoelectric ZnO nanostructures, synthesis and application for energy harvesting

Fattahi Comjani, Farzaneh GND

Zinc oxide (ZnO) is a II-VI compound semiconductor with its unique optical, electrical, mechanical, thermal and chemical properties. The morphology of ZnO nanostructures has been proven to be the richest one among inorganic semiconductors. Based on the remarkable properties of ZnO and the motivation to miniaturize devices, large efforts have been recently focused on the synthesis, characterization and applications of nanostructures of ZnO in nanoscale technology and devices. This work in one part focuses on the synthesis of well aligned piezoelectric ZnO nanowires and their application as nanogenerator for harvesting energy from the environment. Here it is indicated that a Schottky contact at the ZnO-metal interface is not a necessity for the operation of a ZnO nanogenerator, as believed by now. However a Schottky contact leads to a more effective energy harvesting. In the other part of this work a new recipe for the synthesis of ZnO comblike-nanostructures by manipulating the Vapor-liquid-solid method is reported. These nanostructures are recently applied as nanocantilevers, UV nanolaser arrays, optical nanogratings and nanopolarizers. Moreover, a theoretical model for the growth of these structures is developed that explains for the first time the formation of these interesting nanostructures on the base of the piezoelectric property of ZnO. Applying the perturbation theory, the elasticity theory and using the Fourier expansion of mechanical stress exerted in the material under the growth kinetics, the induced piezoelectric charge in the nanostructure is approximated. The periodic distribution of the induced piezoelectric charge explains the periodic growth of nanowire branches of ZnO nanocombs on the polar +(0001) surface as a consequence of a self catalytic growth process. The Si mulations show a good agreement between theoretical and experimental results.

Zinkoxid (ZnO) ist ein II-VI Verbindungs-Halbleiter mit einzigartigen optischen, elektrischen, mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften. Die Morphologie der ZnO-Nanostrukturen hat sich als die reichste unter den anorganischen Halbleitern herausgestellt. Basierend auf den bemerkenswerten Eigenschaften von ZnO und der Motivation, Geräte zu miniaturisieren, sind in letzter Zeit große Anstrengungen zur Synthese, Charakterisierung und Anwendung von ZnO-Nanostrukturen in Nanotechnologie und Nanogeräten unternommen worden. Diese Arbeit konzentriert sich in einem Teil auf die Synthese von gut ausgerichteten piezoelektrischen ZnO-Nanodrähten und ihre Anwendungen als Nanogenerator für die Energiegewinnung aus der Umwelt. Hier wird angedeutet, dass ein Schottky-Kontakt an der ZnO-Metall- Grenzfläche keine Notwendigkeit für den Betrieb eines ZnO-Nanogenerators ist, wie bis heute angenommen wurde. Allerdings führt ein Schottky-Kontakt zu einer effektiveren Energiegewinnung. Im anderen Teil dieser Arbeit wird ein neues Rezept für die Synthese von kammförmigen ZnO-Nanostrukturen durch Manipulation der Vapor-Liquid-Solid-Methode berichtet. Solche Nanostrukturen wurden vor kurzem als Nanocantilever, UV-Nanolaser-Arrays, optische Nanogitter und Nanopolarisatoren angewendet. Darüber hinaus wird ein theoretisches Modell für das Wachstum dieser Strukturen entwickelt, das zum ersten Mal die Bildung dieser interessanten Nanostrukturen auf Basis der piezoelektrischen Eigenschaft von ZnO erklärt. Durch Anwenden der Störungstheorie und der Elastizitätstheorie und mit Hilfe der Fourierentwicklung für die im Material unter der Wachstumskinetik ausgeübte mechanische Spannung wird die induzierte piezoelektrische Ladung in der Nanostruktur angenähert. Die periodische Verteilung der induzierten piezoelektrischen Ladung erklärt das periodische Wachstum von Nanodraht-Zinken des ZnO-Nanokamms auf der polaren + (0001) Oberfläche als Folge eines selbstkatalytischen Wachstumsprozesses. Die Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischen und experimentellen Ergebnissen.

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Fattahi Comjani, Farzaneh: Piezoelectric ZnO nanostructures, synthesis and application for energy harvesting. 2014.

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