氧化锌微/纳米棒阵列的微观形貌调控及大面积制备

摘要

一维微/纳米材料尺寸结构在三维空间上有着特殊的分布,这使其在光、电、热、磁等方面有着许多优异的性能,因而在众多领域有着广泛的应用前景。一维氧化锌微/纳米材料作为一维微/纳米材料的重要组成部分越来越受到人们的注意。
　　 本文以直流磁控溅射制备的氧化锌透明导电薄膜为衬底,以六水硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和六亚甲基四胺(C6H12N4)为前驱物,采用化学浴沉积法制备出了排列整齐、形貌规整、具有高度取向性的氧化锌微/纳米棒阵列。并通过SEM、XRD等对样品进行了表征,所做工作主要包括以下几个方面:
　　 1)观察了不同前驱物浓度下氧化锌微/纳米棒阵列的形貌变化规律,得出:适合氧化锌微/纳米棒阵列生长的前驱物浓度的范围在0.500mol/L到0.001mol/L之间.在此范围内随着前驱物浓度的下降,氧化锌微/纳米棒的直径逐渐减小:前驱物浓度由0.500mol/L减小到0.001mol/L时,氧化锌微/纳米棒的直径由2μm降至50nm左右;氧化锌微/纳米棒阵列的孔隙率随浓度的减小而逐渐增大。论文根据负离子配位多面体生长基元模型对这一现象进行了解释。
　　 2)观察分析了不同前驱液初始PH值对氧化锌微/纳米棒阵列生长的影响,发现:①适合氧化锌微/纳米棒阵列生长的前驱液初始PH值范围为5～8和10.8～11.2。我们分别称为低PH值环境和高PH值环境;低于5或高于11.2时不但氧化锌微/纳米棒阵列无法生成,衬底也会受到腐蚀;在8～10.8之间时前驱液中的Zn2+离子会因NH3.H2O的加入而被过度消耗,无法生成氧化锌微/纳米棒阵列。②前驱液处于低PH值环境时,随着前驱液初始PH值的增加,氧化锌微/纳米棒的表面逐渐变得粗糙,其生长模式由二维成核下的单核生长模式转变为多核生长模式并最终转变为粗糙界面生长模式。③高PH值环境对氧化锌微/纳米棒的生长非常有利,长出的氧化锌微/纳米棒阵列同低PH值环境下的相比在形貌规整度、晶体取向性、生长速率等方面都有很大提高,对衬底、生长环境的包容性大大增强,同时样品形貌的均一性也由微观范围提高到宏观范围。
　　 3)观察了不同生长时间下氧化锌微/纳米棒阵列形貌的变化,发现:①生长初期锌微/纳米棒优先选择在衬底表面缺陷比较多的地方成核生长。②在3min至20min的时间段内,氧化锌晶粒之间存在明显的组合生长现象。③氧化锌棒在生长约10min后达到最大直径,在后续的生长过程中氧化锌微/纳米棒的长度不断增大而直径基本保持不变。
　　 4)研究了超声波环境的加入对氧化锌微/纳米棒阵列形貌的影响,发现加入超声震荡后氧化锌微/纳米棒的直径由原来的400nm左右降为100nm左右,同时氧化锌微/纳米阵列的宏观均匀性得到极大提高。
　　 5)分析了氧化锌微/纳米棒阵列在生长过程中出现的组合生长现象,发现:①发生组合生长的氧化锌微/纳米棒之问品格必须是相互平行的。②组合生长的发生有共棱生长和共面生长两种基本模式。
　　 6)结合超声波环境及高PH值环境在生长大面积氧化锌微/纳米棒阵列时的优势,设计了高PH值环境下超声辅助生长氧化锌微/纳米棒阵列的方法,并通过此方法将氧化锌微/纳米棒阵列的最大面积由文献报道的4x4 cm2提高到14×14 cm2,。