低温蒸汽中ZnO纳米棒阵列的制备方法

摘要

本发明涉及一种低温蒸汽中ZnO纳米棒阵列的制备方法，包括以下步骤：首先清洗基底，运用溅射工艺在玻璃基底表面溅射一定厚度的锌膜；将分析纯氨水溶液无需稀释，或与水体积比为1∶10范围内，得到氨水浓度为2.5-2.8％，放置于密闭容器中作为熏蒸源；将溅射有锌膜的基底，有锌膜一面朝下固定于氨水溶液上方，不接触液面，容器封口，置于烘箱中加热，温度50-90℃，反应时间控制在6-12小时之间；最后，通过高温下氨水蒸发产生的氨气与基底表面的锌薄膜反应得到较均匀的ZnO纳米线阵列结构。本发明优点在于步骤简单，反应温度低，成本大幅度降低，得到的阵列均匀，适合大规模的生产。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体是一种低温蒸汽中ZnO纳米棒阵列的制 备方法。

背景技术

ZnO为Ⅱ-Ⅵ族化合物，是一种典型的直接带隙宽禁带半导体材料，室温下禁带宽 度为3.37eV，激子结合能高达60meV，远高于GaN(25meV)和ZnS(22meV)，能在 室温下进行紫外发射。同时ZnO具有良好的热稳定与化学稳定性，材料来源丰富，成 本低廉，是一种无毒无污染的环保材料。这些特性使其在气体传感器、压电器件以及太 阳能电池等领域有广阔的应用空间。

目前制备ZnO纳米阵列的方法很多，常用的有蒸汽合成与液相合成两种。根据所 查询的文献表明，P.J.Cao等人于2003年发表一篇题为“Well-aligned zinc oxide nanorods  and nanowires prepared without catalyst”的文章，其中采用了化学蒸汽沉积制备方法，以 高纯Zn(99.99％)为源，在氩气与氧气的气氛下制备出高密度的ZnO纳米线阵列，形 貌统一，工艺简单。但是该方法制备温度较高，需要高于500℃，且阵列可控性差，结 晶性不高。而Chin-Hsien Hung等人在2003年发表的题为“A novel low-temperature growth  and characterization of single crystal ZnO nanorods”的文章，采用液相法制备ZnO纳米线 阵列，利用Zn(CH₃COOH)₂·2H₂O在基底上形成ZnO晶核，配置等摩尔配比的 Zn(NO)₃·6H₂O和C₆H₁₂N₄溶液，置于反应釜中低温生长ZnO纳米阵列，此方法制备温 度较低，一般不高于100℃，并且设备简单，降低了成本，但同时步骤较为繁琐，需要 精确配置反应溶液，并且只能在反应附中进行。两种不同类型的制备方法为ZnO纳米 线阵列的制备提供了新的思路，但是这两种制备方法都有明显的不足，蒸汽沉积法一般 需要较昂贵的设备及较高的制备温度，而液相合成法需要在特定的容器中反应，不利于 大规模的生产，并且反应溶液的配置也给ZnO的制备增加了一些繁琐的步骤。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种低温蒸汽中ZnO纳米棒阵列 的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种低温蒸汽中ZnO纳米棒阵列的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，超声清洗普通基底，然后吹干表面以备使用；

步骤2，使用射频溅射的方法在步骤1得到的基底表面溅射一定厚度的锌膜；

步骤3，在密封性、耐热性和抗压性较好的容器中放入氨水溶液；

步骤4，将步骤2中得到的基底固定在氨水溶液的上方，其中，有锌膜一面朝上， 其另一面不接触液面，置于烘箱中加热；

步骤5，加热一段时间后取出基底，其表面既得氧化锌纳米阵列。

所述步骤1为将普通基底依次放入丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，并以氮气吹 干表面。

所述丙酮及乙醇为分析纯。

所述步骤2中锌膜厚度为1-5μm。

所述步骤3中氨水溶液为分析纯或将分析纯氨水溶液加水稀释。

所述分析纯为25-28％，所述氨水溶液与水体积比为1∶0-1∶10。

所述步骤4中烘箱加热温度为50-90℃。

所述步骤5中加热时间为6-12小时。

所述普通基底为普通玻璃片、硅片或ITO玻璃。

所述步骤3中氨水溶液为100mL。

本发明开创了一种全新的低温蒸汽中ZnO纳米棒阵列的制备方法。与现有技术相 比，本发明所提供的低温气体氛围中直接在镀有锌膜的普通基底上熏蒸生长ZnO纳米 线阵列的方法有以下优点：

1.直接采用分析纯的氨水溶液，无需配置一定浓度的反应溶液，或简单的加水稀 释，与水比例在1∶10范围内都可，简化了实验步骤；

2.低温熏蒸，方便快捷，适合大规模制备；

3.成本低廉，环保。

本发明提供的低温蒸汽中ZnO纳米棒阵列的制备方法可以应用于传感器，太阳电 池等器件，并且适应于大规模工业生产。

附图说明

图1为制备ZnO纳米线阵列的装置示意图；

图中，1为密封盖，2为带锌层普通玻璃片，3为氨水；

图2为实施例1的ZnO纳米线阵列SEM图；

图3为实施例2的ZnO纳米线阵列SEM图；

图4为实施例3的ZnO纳米线阵列SEM图；

图5为实施例4的ZnO纳米线阵列SEM图；

图6为实施例5的ZnO纳米线阵列SEM图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，所有实施例都是在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。

实施例1

步骤1，超声清洗普通基底，然后吹干表面以备使用；具体为，将普通基底依次放 入分析纯的丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，去除表面的有机物、金属离子等杂质， 超声时间约为15分钟，氮气吹干表面以备使用；

步骤2，在步骤1中得到的基底表面溅射一定厚度的锌膜；具体为，使用射频溅射 的方法在步骤1清洗好的基底表面溅射1.5μm厚度的锌膜，基底上的这层锌膜作为生长 ZnO纳米线阵列所需的锌源；

步骤3，在容器中放入氨水溶液；具体为，选取密封性、耐热性和抗压性较好的容 器，例如普通的耐热乐扣乐扣碗，放入100mL分析纯25-28％的氨水，无需加水稀释， 氨水溶液作为制备ZnO纳米阵列的熏蒸源；

步骤4，将步骤2中得到的基底固定在氨水溶液的上方，其中，有锌膜一面朝上， 其另一面不接触液面，置于烘箱中加热；具体为，将步骤2中溅射有锌膜的基底，有锌 膜一面朝下固定于步骤3氨水溶液上方，另一面不接触液面，容器封口，置于烘箱中加 热，温度为90℃；

步骤5，加热一段时间后取出基底，其表面既得氧化锌纳米阵列；具体为，加热12 小时后取出步骤4中的基片，表面一层发黑色的物质就是制得的氧化锌纳米阵列。

实施例2

实施例2为实施例1的变化例，具体为：

步骤1，将普通基底依次放入分析纯的丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，去除表 面的有机物、金属离子等杂质，超声时间约为15分钟，氮气吹干表面以备使用；

步骤2，使用射频溅射的方法在步骤1清洗好的基底表面溅射3μm厚度的锌膜，基 底上的这层锌膜作为生长ZnO纳米线阵列所需的锌源；

步骤3，选取密封性、耐热性和抗压性较好的容器，放入100mL分析纯25-28％的 氨水，无需加水稀释，氨水溶液作为制备ZnO纳米阵列的熏蒸源；

步骤4，将步骤2中溅射有锌膜的基底，有锌膜一面朝下固定于步骤3氨水溶液上 方，不接触液面，容器封口，置于烘箱中加热，温度90℃；

步骤5，加热12小时后取出步骤4中的基片，表面一层发黑色的物质就是制得的氧 化锌纳米阵列。

实施例3

实施例3为实施例1的变化例，具体为：

步骤1，将普通基底依次放入分析纯的丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，去除表 面的有机物、金属离子等杂质，超声时间约为15分钟，氮气吹干表面以备使用；

步骤2，使用射频溅射的方法在步骤1清洗好的基底表面溅射5μm厚度的锌膜， 基底上的这层锌膜作为生长ZnO纳米线阵列所需的锌源；

步骤3，选取密封性、耐热性和抗压性较好的容器，放入100mL分析纯25-28％的 氨水，无需加水稀释，氨水溶液作为制备ZnO纳米阵列的熏蒸源；

步骤4，将步骤2中溅射有锌膜的基底，有锌膜一面朝下固定于步骤3氨水溶液上 方，不接触液面，容器封口，置于烘箱中加热，温度50℃；

步骤5，加热6小时后取出步骤4中的基片，表面一层发黑色的物质就是制得的氧 化锌纳米阵列。

实施例4

实施例4为实施例1的变化例，具体为：

步骤1，将普通基底依次放入分析纯的丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，去除表 面的有机物、金属离子等杂质，超声时间约为15分钟，氮气吹干表面以备使用；

步骤2，使用射频溅射的方法在步骤1清洗好的基底表面溅射3μm厚度的锌膜，基 底上的这层锌膜作为生长ZnO纳米线阵列所需的锌源；

步骤3，选取密封性、耐热性和抗压性较好的容器，加入100mL加水稀释为比例1∶ 10的氨水，氨水分析纯为2.5-2.8％，氨水溶液作为制备ZnO纳米阵列的熏蒸源；

步骤4，将步骤2中溅射有锌膜的基底，有锌膜一面朝下固定于步骤3氨水溶液上 方，不接触液面，容器封口，置于烘箱中加热，温度90℃；

步骤5，加热6小时后取出步骤4中的基片，表面一层发黑色的物质就是制得的氧 化锌纳米阵列。

实施例5

实施例5为实施例1的变化例，具体为：

步骤1，将普通基底依次放入分析纯的丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗，去除表 面的有机物、金属离子等杂质，超声时间约为15分钟，氮气吹干表面以备使用；

步骤2，使用射频溅射的方法在步骤1清洗好的基底表面溅射1μm厚度的锌膜，基 底上的这层锌膜作为生长ZnO纳米线阵列所需的锌源；

步骤3，选取密封性、耐热性和抗压性较好的容器，放入100mL分析纯25-28％的 氨水，无需加水稀释，氨水溶液作为制备ZnO纳米阵列的熏蒸源；

步骤4，将步骤2中溅射有锌膜的基底，有锌膜一面朝下固定于步骤3氨水溶液上 方，不接触液面，容器封口，置于烘箱中加热，温度75℃；

步骤5，加热8小时后取出步骤4中的基片，表面一层发黑色的物质就是制得的氧 化锌纳米阵列。

上述实施例中普通基底可选用可选用普通玻璃片，硅片，ITO玻璃等。