Hydrothermal growth of symmetrical ZnO nanorod arrays on nanosheets for gas sensing applications

Abstract

The hierarchical ZnO nanostructures with 2-fold symmetrical nanorod arrays on zinc aluminum carbonate (ZnAl-CO₃) nanosheets have been successfully synthesized through a two-step hydrothermal process. The primary nanosheets, which serve as the lattice-matched substrate for the self-assembly nanorod arrays at the second-step of the hydrothermal route, have been synthesized by using a template of anodic aluminum oxide (AAO). The as-prepared samples were characterized by XRD, FESEM, TEM and SAED. The nanorods have a diameter of about 100 nm and a length of about 2 µm. A growth mechanism was proposed according to the experimental results. The gas sensor fabricated from ZnO nanorod arrays showed a high sensitivity to ethanol at 230 °C. In addition, the response mechanism of the sensors has also been discussed according to the transient response of the gas sensors.

Keywords

ZnO nanorods / hydrothermal growth / gas sensitivity

References

[1] Özgür Ü ,  Alivov Y I ,  Liu C, . A comprehensive review of ZnO materials and devices. Journal of Applied Physics, 2005, 98(4): 041301

[2] Kochuveedu S T ,  Oh J H ,  Do Y R , . Surface-plasmon-enhanced band emission of ZnO nanoflowers decorated with Au nanoparticles. Chemistry, 2012, 18(24): 7467–7472

[3] Martha S, Reddy  K H, Parida  K M. Fabrication of In₂O₃ modified ZnO for enhancing stability, optical behavior, electronic properties and photocatalytic activity for hydrogen production under visible light. Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability, 2014, 2(10): 3621–3631

[4] Hu W, Li  Z, Yang J . Electronic and optical properties of graphene and graphitic ZnO nanocomposite structures. The Journal of Chemical Physics, 2013, 138(12): 124706

[5] Liu Z, Wang  Y, Wang B , . PEC electrode of ZnO nanorods sensitized by CdS with different size and its photoelectric properties. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(25): 10226–10234

[6] Wang D, Chu  X, Gong M . Hydrothermal growth of ZnO nanoscrewdrivers and their gas sensing properties. Nanotechnology, 2007, 18(18): 185601

[7] Shi L, Naik  A J T, Goodall  J B M, . Highly sensitive ZnO nanorod- and nanoprism-based NO₂ gas sensors: size and shape control using a continuous hydrothermal pilot plant. Langmuir, 2013, 29(33): 10603–10609

[8] Pacholski C, Kornowski  A, Weller H . Selbstorganisation von ZnO: von nanopartikeln zu nanostäbchen. Angewandte Chemie, 2002, 114(7): 1234–1237

[9] Wang W Z, Zeng  B Q, Yang  J, . Aligned ultralong ZnO nanobelts and their enhanced field emission. Advanced Materials, 2006, 18(24): 3275–3278

[10] Xia Y, Yang  P. Guest editorial: chemistry and physics of nanowires. Advanced Materials, 2003, 15(5): 351–352

[11] Martinson A B F ,  Elam J W ,  Hupp J T , . ZnO nanotube based dye-sensitized solar cells. Nano Letters, 2007, 7(8): 2183–2187

[12] Hu L, Yan  J, Liao M , . An optimized ultraviolet-A light photodetector with wide-range photoresponse based on ZnS/ZnO biaxial nanobelt. Advanced Materials, 2012, 24(17): 2305–2309

[13] Wang X, Song  J, Wang Z L . Nanowire and nanobelt arrays of zinc oxide from synthesis to properties and to novel devices. Journal of Materials Chemistry, 2007, 17(8): 711–720

[14] Huang X J, Choi  Y K. Chemical sensors based on nanostructured materials. Sensors and Actuators B: Chemical, 2007, 122(2): 659–671

[15] Greene L E, Law  M, Tan D H , . General route to vertical ZnO nanowire arrays using textured ZnO seeds. Nano Letters, 2005, 5(7): 1231–1236

[16] Chakrabarti S, Dutta  B K. Photocatalytic degradation of model textile dyes in wastewater using ZnO as semiconductor catalyst. Journal of Hazardous Materials, 2004, 112(3): 269–278

[17] Fang X, Yan  J, Hu L , . Thin SnO₂ nanowires with uniform diameter as excellent field emitters: a stability of more than 2400 minutes. Advanced Functional Materials, 2012, 22(8): 1613–1622

[18] Xiang B, Wang  P, Zhang X , . Rational synthesis of p-type zinc oxide nanowire arrays using simple chemical vapor deposition. Nano Letters, 2007, 7(2): 323–328

[19] Yin Z, Wu  S, Zhou X , . Electrochemical deposition of ZnO nanorods on transparent reduced graphene oxide electrodes for hybrid solar cells. Small, 2010, 6(2): 307–312

[20] Whang D, Jin  S, Wu Y , . Large-scale hierarchical organization of nanowire arrays for integrated nanosystems. Nano Letters, 2003, 3(9): 1255–1259

[21] Basu S, Dutta  A. Modified heterojunction based on zinc oxide thin film for hydrogen gas-sensor application. Sensors and Actuators B: Chemical, 1994, 22(2): 83–87

[22] Gong H, Hu  J Q, Wang  J H, . Nano-crystalline Cu-doped ZnO thin film gas sensor for CO. Sensors and Actuators B: Chemical, 2006, 115(1): 247–251

[23] Kim J, Yong  K. Mechanism study of ZnO nanorod-bundle sensors for H₂S gas sensing. The Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115(15): 7218–7224

[24] Baratto C, Sberveglieri  G, Onischuk A , . Low temperature selective NO₂ sensors by nanostructured fibres of ZnO. Sensors and Actuators B: Chemical, 2004, 100(1–2): 261–265

[25] Sander M S, Gronsky  R, Sands T , . Structure of bismuth telluride nanowire arrays fabricated by electrodeposition into porous anodic alumina templates. Chemistry of Materials, 2003, 15(1): 335–339

[26] Koh Y W, Lin  M, Tan C K , . Self-assembly and selected area growth of zinc oxide nanorods on any surface promoted by an aluminum precoat. The Journal of Physical Chemistry B, 2004, 108(31): 11419–11425

Rights & permissions

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg