Một quy tắc quan trọng đối với quá trình mọc đơn tinh thể là quá trình Ostwald [6]. Khi một pha kết tủa, yếu tố năng lượng sẽ làm cho các hạt lớn to ra, các hạt nhỏ co lại. Đầu tiên, các hạt tinh thể nhỏ hình thành trong môi trường quá bão hòa và bị cuốn theo sự hình thành các tinh thể lớn do sự khác biệt năng lượng giữa hạt lớn và hạt nhỏ dựa vào định luật Gibbs-Thomson.
Cơ chế mọc thanh nano ZnO trên mầm ZnO đã được công bố trong nhiều tài liệu nghiên cứu [6]. Zn(NO3)2 cung cấp ion Zn2+ cần thiết để tạo nên dây nano ZnO. Các phân tử nước trong dung dịch cung cấp ion O2-. Vai trò của HMTA trong quá trình mọc hiện nay vẫn chưa được nghiên cứu rõ ràng. Người ta cho rằng HMTA
đóng vai trò làm một bazơ yếu, thủy phân chậm và dần dần trong nước tạo OH- . HMTA cũng là một chất đệm pH [6]. Trong suốt quá trình mọc, pH khoảng 6-7. Quá trình thủy phân của HMTA đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình tổng hợp. Nếu HMTA thủy phân quá nhanh và tạo ra nhiều OH- trong một thời gian
ngắn, các ion Zn2+ trong dung dịch sẽ bị kết tủa nhanh chóng vì môi trường pH cao. Vì vậy, ion Zn2+ chỉ có đóng góp nhỏ vào sựđịnh hướng mọc dây nano ZnO, và sự
tiêu thụ nhanh chóng dung dịch mọc và làm ngăn cản sự mọc thêm dây nano ZnO. Quá trình mọc được quyết định bởi nhân tố nhiệt động là nhiệt độ và nồng độ
OH- là nhân tố động học trong dung dịch mọc. Quá trình mọc trong dung dịch có thể được điều khiển thông qua các phản ứng hóa học (3.6-3.10). Cả năm phản ứng này thực tế nằm cân bằng với nhau và chúng được điều khiển bằng cách điều chỉnh các thông số phản ứng như: nồng độ chất đầu, nhiệt độ mọc, thời gian mọc và pH sẽ
làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận hay chiều nghịch. Trong suốt quá trình thủy nhiệt, Zn(OH)2 tan vào dung dịch khi nhiệt độ tăng. Khi nồng độ Zn2+ và OH-
đạt đến giá trị tới hạn, các hạt nhân ZnO tự hình thành trong dung dịch. Sau đó, các hạt nano ZnO kết hợp với nhau để làm giảm năng lượng tự do bề mặt vì các phân tử ở bề mặt kém bền về mặt năng lượng hơn các phân tử được sắp xếp đều và chặt ở
bên trong. (CH2)6N4 + 6H2O 4NH3 + 6HCHO (3.6) Zn2+ + 4NH3 Zn[(NH3)4]2+ (3.7) NH3 + H2O NH4+ + OH- (3.8) Zn2+ + 2OH- Zn(OH)2 (3.9) Zn(OH)2 ZnO + Ht0 2O (3.10) Zn(NO3)2 Zn2+ + 2NO3- (3.5) kply =10-9,58 kply = 3.10-17
Tinh thể ZnO có cấu trúc wurtzite là bền nhất bao gồm các mặt (0001) phân cực và {1000} không phân cực. Nhờ tính chất dị hướng của tinh thể, mặt (0001) có tỷ lệ mọc nhanh nhất và trong điều kiện cân bằng nhiệt động, tỷ lệ mọc theo các mặt như sau (0001) > (0110) > (1000). Đặc biệt, khi có các hạt mầm ở lớp đáy, các thanh nano mọc dễ hơn và đồng đều hơn. Chính lớp mầm định hướng theo trục c này là nhân tố chính trong việc mọc định hướng các thanh nano ZnO. Bởi vì bản chất phân cực của các mặt phẳng {0001} mang điện tích âm và điện tích dương nên bề mặt này sẽ hút các ion mang điện tích trái dấu lên bề mặt và phản ứng tạo thanh nano ZnO (Hình 3.2). Người ta cho rằng HMTA đóng vai trò làm tác nhân không phân cực và có thể liên kết với mặt phẳng không phân cực của thanh nano ZnO nên hướng mọc theo mặt phẳng (0001) là thích hợp nhất.