在金属箔基底上可控制备低维金属氧化物纳米材料的方法

摘要

在金属箔基底上可控制备低维金属氧化物纳米材料的方法，涉及金属氧化物纳米材料。通过等离子体方法在金属箔表面生长出纳米材料，并通过控制温度和通入气体的比例来控制纳米材料的生长。具体步骤：将金属箔打磨去除表面氧化物并清洗后，放入反应装置中并抽真空，然后升温，再通入氩气与氧气并通过两端的电极进行辉光放电，辉光放电结束后，待反应装置冷却到室温便可获得低维金属氧化物纳米材料。可适用于多种不同金属；由能够使得反应物分子实现有效激发、离解和电离，使得反应体系能够在低温下快速进行；可以降低反应温度和减少反应时间。所需加热温度低，反应时间短，可有效降低能耗；工艺简单，成本低廉；生产出的纳米材料形貌可控，质量高。

说明书

技术领域

本发明涉及金属氧化物纳米材料，尤其是涉及一种在金属箔基底上可控制备低维金属氧化物纳米材料的方法。

背景技术

近年来，半导体的应用和发展越来越受到人们的关注，纳米技术的发展在促进科技发展和社会进步中起到重要作用。金属氧化物纳米结构因其表面效应、量子限域效应等呈现出不同于其他块体材料的独特光、电、磁以及生物化学等特性，还具有在应用中不易被氧化、功耗小、反应灵敏等特点，在纳米电子器件应用中显示出强大的生命力。随着未来纳米器件的商业化应用，要求新的纳米材料制备技术能适用于大批量生产、适用于不同的材料、低的合成温度还有低的生产成本，而且能够组装到不同基板上直接进行应用。

ZnO是一种宽禁带的直接带隙半导体，禁带宽度为3.37eV，它在光、电、磁、机械性能方面具有独特性质，开发研究的ZnO器件主要有紫外激光器、探测器、光波导、激光二极管、声表面波器件、透明电极涂层、声光器件、薄膜晶体管、压电传感器和太阳能电池等[1]。Fe₂O₃是一种过渡金属氧化物，禁带宽度为2.2eV，它在食品、医药、装饰材料、陶瓷等方面有广泛的应用，而且Fe₂O₃有经济效率高、环境污染小、稳定、耐腐蚀等特点。Fe₂O₃的纳米材料具有催化性、磁性、气体敏感、记录等方面的特点[2]。CuO是一种p型窄带隙半导体材料，带隙宽度为1.2eV,是一种典型的超导材料，和铜酸盐类似具有高温超导性。纳米CuO材料具有不寻常的光、电、磁和催化等特性，使其在非均相催化剂、电池负极材料、光热和光导材料等方面具有很大的应用潜力，还可以应用于场发射和气体传感器等领域[3]。

目前对于金属氧化物纳米材料的合成方法主要有模板法、水热法、激光烧蚀法和热氧化法。对于这些纳米材料的制备方法，需要满足生产成本低，制备出的纳米材料质量高且制备过程形貌可控。其中模板法可以很好地控制纳米材料的形貌，但是成本较高；水热法制备纳米材料虽然成本较低，但是纳米材料的形貌不可控；激光烧蚀法能够制备可控且高质量的纳米材料，但是设备昂贵，不适合批量生产；热氧化法可以很好控制生长材料的形貌，但是制备工艺的稳定性不足。

参考文献

[1]Shu-Te Ho,Chiu-Yen Wang,Hsiang-Lin Liu,Heh-Nan Lin*.ChemicalPhysics Letters,463(2008)141–144.

[2]Tian Y,Wu D,Jia X,et al.Nanomater,2010,2011:837123

[3]J.T.Chen,F.Zhang,J.Wang,G.A.Zhang,B.B.Miao,X.Y.Fan,D.Yana,P.X.Yan.Journal of Alloys and Compounds 454(2008)268–273.

发明内容

本发明的目的是提供一种在金属箔基底上可控制备低维金属氧化物纳米材料的方法。

本发明是通过等离子体方法在金属箔表面生长出纳米材料，并通过控制温度和通入气体的比例来控制纳米材料的生长。具体步骤如下：

将金属箔打磨去除表面氧化物并清洗后，放入反应装置中并抽真空，然后升温，再通入氩气与氧气并通过两端的电极进行辉光放电，辉光放电结束后，待反应装置冷却到室温便可获得低维金属氧化物纳米材料。

所述金属箔可选自锌箔、铁箔、铜箔等中的一种；所述金属箔的尺寸可为10mm×10mm×0.25mm；所述抽真空可抽至10Pa；所述升温可升至400～600℃，升温速率可为25～30℃/min；所述辉光放电可采用管式炉，辉光放电的时间可为0.2～0.5h。

所述金属箔的纯度可为99.99％。

所述清洗可分别用去离子水、丙酮、无水乙醇超声清洗。

所述氩气与氧气的体积比可为(15～5)︰1。

本发明的技术效果是:

1、本发明采用等离子体方法制备低维金属氧化物纳米材料，可适用于多种不同金属；由于等离子体中的电子具有足够高的能量，能够使得反应物分子实现有效激发、离解和电离，使得反应体系能够在低温下快速进行；与传统的热氧化法相比，可以降低反应温度和减少反应时间。

2、本发明所采用的制备方法所需加热温度低，反应时间短，可以有效降低能耗；所用的仪器单一，工艺简单，成本低廉；生产出的纳米材料形貌可控，质量高。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的氧化锌纳米材料(纳米棒)的扫描电子显微镜图。

图2为本发明实施例2制备的氧化铁纳米材料(纳米带)的扫描电子显微镜图。

图3为本发明实施例3制备的氧化铜纳米材料(纳米片)的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

本发明采用等离子体增强化学气相沉积法(采用低温等离子体增强的水平管式炉沉积系统)，该方法可以在较低温度、生长时间较短的情况下，制备出稳定和高质量的不同种类的金属氧化物纳米材料。

以下将通过具体的实例来加以说明。

实施例1

首先将打磨好的10mm×10mm×0.25mm的锌箔依次用去离子水、丙酮和乙醇进行超声清洗30min，然后进行干燥，再将锌箔放入水平管式炉沉积系统中，并抽真空到10Pa左右，经过20min的加热到450℃，等到温度升到450℃后，通入Ar和O₂，比例为45︰5，并开启等离子体电源，调节功率，使电流为1.3A，然后保持恒温450℃不变持续放电0.2～0.5h。放电结束后，关闭等离子体电源并且切断气体通入，待冷却至室温。

本实施例中所制备得到的ZnO纳米材料的扫描电子显微镜图如图1所示。

实施例2

首先将打磨好的10mm×10mm×0.25mm的铁箔依次用去离子水、丙酮和乙醇进行超声清洗30min，然后进行干燥，再将铁箔放入水平管式炉沉积系统中，并抽真空到10Pa左右，经过20min的加热到600℃，等到温度升到600℃后，通入Ar和O₂，比例为45︰5，并开启等离子电源，调节功率，使电流为1.3A，然后保持恒温600℃不变持续放电0.2～0.5h。放电结束后，关闭等离子电源并且切断气体通入，待冷却至室温。

本实施例中所制备得到的Fe₂O₃纳米材料的扫描电子显微镜图如图2所示。

实施例3

首先将打磨好的10mm×10mm×0.25mm的铜箔依次用去离子水、丙酮和乙醇进行超声清洗30min，然后进行干燥，再将铁箔放入水平管式炉沉积系统中，并抽真空到10Pa左右，经过20min的加热到500℃，等到温度升到500℃后，通入Ar和O₂，比例为45︰5，并开启等离子电源，调节功率，使电流为1.3A，然后保持恒温500℃不变持续放电0.2～0.5h。放电结束后，关闭等离子电源并且切断气体通入，待冷却至室温。

本实施例中所制备得到的CuO纳米材料的扫描电子显微镜图如图3所示。

本发明主要是在水平管式炉两端增加两个电极放电，便形成等离子体增强的化学气相沉积方法来制备金属氧化物纳米材料。本方法主要是在纯度为99.99％的金属锌箔、铁箔和铜箔经过打磨清洗，然后放入上述所说装置中加热和辉光放电来制备低维的金属氧化物纳米材料，该方法的主要优点是纳米材料的生长温度低，生长时间短，形貌可控，产品性能稳定，制备的纳米材料分布均匀，制备工艺简单。