氧化锌(ZnO)属宽带隙(3.4eV)半导体,常温下具有高的激子束缚能(60meV)。ZnO廉价,属“绿色”环保材料,无毒、可生物降解和具有生物相容性,并且作为重要的半导体功能材料,它具有极好的热稳定性和独特的力、光、电性质,在电子学、光学、光电子学、激光器和光发射二极管方面有重要的应用。ZnO拥有压电和焦电性质使其成为传感器、能换器、发电机和光催化制氢方面最具潜力的候选者之一。ZnO纳米结构在未来的应用和纳米制备方面很大程度上是基于设计可控生长位置、方向、尺寸、分布和均匀性的一维纳米阵列,因为这是实现ZnO纳米阵列器件的基础。因此,对ZnO纳米阵列制备及器件的研究已经并将继续成为全球科学研究者关注的热点。本论文选择调控制备ZnO纳米管阵列,旨在探索ZnO纳米材料的应用,并对基于ZnO纳米管阵列的压电性质和发电机进行了研究,同时对ZnO纳米管阵列的染料敏化太阳能电池进行了初步的研究。本论文的主要内容包括以下几个方面:①以纳米结构器件为背景的纳米阵列体系已经成为纳米材料的研究热点,一维中空结构具有与纳米线不同的性质,纳米管阵列的制备在技术上具有较大的挑战。论文采用湿化学方法,在氮化镓(GaN)、镀金(Au)的硅(Si)、光纤和ITO衬底上制备了ZnO纳米管阵列。分两步温度合成,首先在衬底上生长ZnO纳米线阵列,然后通过原位刻蚀纳米线制备了ZnO纳米管阵列。通过改变反应溶液的浓度、温度和生长时间,可以调控ZnO纳米管阵列的维度和密度,并获得了尺寸均匀、垂直定向的ZnO纳米管阵列。详细研究纳米管阵列的形成机理,得出了制备ZnO纳米管阵列的一般规律。②收集环境能量提供纳米器件的持续运行是具有重要科学意义和实际应用价值的研究,也是非常具有挑战性的工作。由于纳米管特殊的结构,它比纳米线具有更好的柔性,当纳米管弯曲形变时,在内壁和外壁都有压电输出,有利于获得更大的输出电压/电流。论文基于ZnO的压电性质,采用原子力显微镜,通过镀铂(Pt)探针扫描镀金衬底上生长的ZnO纳米管阵列,研究了压电发电性质。利用原子力显微镜对形貌和纳米管形变的观测和电压输出记录,对压电的输出进行了模拟计算和理论分析。③为了提高压电发电输出功率,实现基于ZnO纳米管阵列压电器件持续的功率输出,论文利用镀PtZnO纳米管阵列代替原子力扫描的探针,通过ZnO纳米管阵列与镀金ZnO纳米管阵列的咬合和封装,制备了基于ZnO纳米管阵列的压电发电机,用超声波震荡提供机械能,实现了稳定的直流电压和电流输出。④由于石油能源的日渐枯竭和价格飞涨,可再生的清洁能源成为世界关注的热点。ZnO能隙3.14eV,其纳米管阵列结构,具有很好的光电子转移能力,成为染料敏化太阳能电池优质的光阳极材料。论文基于生长在光纤和ITO衬底上的ZnO纳米管阵列,制备了染料敏化纳米材料太阳能电池,对它们的光伏效应和输出功率与生长在ITO上纳米线阵列进行了比较。并发现生长在光纤上的ZnO纳米管的效率最大,生长在ITO上的ZnO纳米管的效率次之,生长在ITO上的ZnO纳米线的效率最小。