一種ZnO納米棒陣列尺寸可控生長方法
2023-05-20 08:52:26 1
專利名稱：一種ZnO納米棒陣列尺寸可控生長方法
技術領域：
本發明涉及一種ZnO納米棒陣列尺寸可控生長的方法。
背景技術：
一維半導體納米材料因其二維量子限域作用而具有非線性光學性能、光致發光、 高發光效率、較低的雷射發射閾值，且有超高機械強度、高化學穩定性和熱穩定性等優良的 物理性能，在許多領域表現出巨大的應用潛力，是製作短波長納米雷射器、場效應電晶體、 紫外納米尺寸氣體探測器以及納米共振腔等納米光電子器件的重要材料，具有廣闊的應用 前景。隨著納米技術的興起，ZnO的各種性能更是全面顯現出來從材料本質來說，它是 寬帶隙半導體光電材料；從性能上來說，它是半導體加壓電體；從物理上來說，它是一個應 用於自旋電子學的材料；從生物上來說，它具有無毒性，生物可降解性；更重要的，從納米 結構上來說，它是可塑性非常好的材料，可以做成各種各樣的形態，且在高溫和低溫條件下 均可以合成，有與半導體工業相結合的極大優勢。這些優異性能不斷激發起人們的研究興 趣，由此帶來了一股強大的納米ZnO的研究熱潮。自2001年《Science》上連續刊載了有關 特殊形態納米ZnO的報導，至今，有關納米結構ZnO的製備及性能的報導就一直層出不窮。 近些年來，一維納米結構材料，如納米管，納米線，納米棒，納米帶等，因其在基礎物理研究 的重要性以及在納米電子，納米力學等方面的潛在應用，不斷激發起人們的研究興趣。一維 ZnO納米棒，以ZnO優異的性質以及低維結構的結合，在光電子器件領域顯示出巨大的潛在 的應用價值。迄今為止，人們採用氣相傳輸法，脈衝雷射沉積法，化學氣相沉積法，以及電化學 沉積法都可以獲得一維ZnO納米棒。然而，這些方法通常都需要特殊的儀器，在高溫的條件 下，經過複雜的操作過程才可以製備出材料。因此，化學水浴沉積法在眾多的製備方法中因其操作簡單而備受人們的青睞。更 重要的是，該方法可以在95°C低溫的條件下就可以製備出樣品。但是，採用該方法在Si上 生長ZnO納米棒，通常很難控制直徑大小和取向性，且重複性不好。目前，還沒有人採用該 方法控制納米棒陣列的直徑大小。然而就化學水浴沉積方法而言，分為成核和生長兩個過 程，成核過程直接決定著納米棒的生長狀態。眾所周知，不同界面上成核具有很大的隨意性 和複雜性，想要控制成核的密度、尺寸和分布有一定難度。但是在不同的襯底上異相成核相 對均勻成核來說還是比較容易的。因此我們選擇兩步化學水浴沉積法生長ZnO納米棒陣 列，即先在襯底上形成晶核層，再採用化學水浴沉積法進行納米棒陣列的生長。對於該方 法，襯底上晶核的密度、尺寸和分布等情況就直接影響著納米棒陣列的生長。也就是說通過 調節襯底上晶核的密度、大小等條件，就有可能控制納米棒陣列的直徑大小。因此，我們期 望能通過此方法達到ZnO納米棒陣列可控生長的目的。
發明內容
本發明的目的是要提供一種ZnO納米棒陣列尺寸可控生長方法，該方法採用兩步 化學水浴沉積法，先在襯底上形成晶核層，再採用化學水浴沉積法進行納米棒陣列的生長， 通過改變ZnO納米顆粒的密度和大小控制ZnO納米棒陣列的直徑大小，克服了現有技術的 缺點和不足。本發明的目的是這樣實現的，該方法是先在襯底上製備ZnO晶核層，再利用化學 水浴沉積法進行納米棒陣列的生長，通過改變ZnO納米顆粒的密度和大小從而控制ZnO納 米棒陣列的直徑大小；其具體步驟如下第一步ZnO晶核層的製備①、配置Zn (OOCCH3)2 ·2Η20酒精溶液，摩爾濃度為0. 005Μ。65°C加熱磁力攪拌lh， 形成無色透明溶液。②、Si襯底依次放在乙醇和去離子水中超聲處理20分鐘，在空氣中晾乾待用。③、使用旋塗儀將步驟①中的無色透明溶液旋塗在Si襯底上，旋塗時間30秒，旋 塗速度2000轉/秒，旋塗1或2或3或4次後，250°C燒結30分鐘；④、重複上述步驟③一次，最終在Si襯底上生成了 ZnO納米顆粒晶核層。上述③、④隨著旋塗次數的改變，ZnO納米顆粒的密度將發生改變，當保持旋塗次 數不變時，改變燒結溫度T 250°C或500°C或600°C，ZnO納米顆粒的大小將發生改變；第二步ZnO納米棒陣列的製備①、將硝酸鋅(Zn(NO3)2 · 6H20)和六次甲基四胺(C6H12N4)以等摩爾比(1 1)溶 於去離子水中，硝酸鋅和六次甲基四胺濃度皆為1M。配製好的反應溶液，放於燒杯中。②、將鍍有ZnO納米顆粒晶核層的Si襯底傾斜置於盛有反應溶液的燒杯底部(傾 斜角45 70° )，放入反應爐(93 °C)中，生長2h。③、反應後，將襯底取出，用去離子水清洗乾淨，晾乾即可。當襯底上ZnO納米顆粒密度大於臨界值2. 3 X 10W時，實現ZnO納米棒陣列由 40nm 150nm的可控生長。本發明的優點和積極效果如下1、本發明選擇兩步化學水浴沉積法生長ZnO納米棒陣列，即先在襯底上形成ZnO 納米顆粒晶核層，再採用化學水浴沉積法進行納米棒陣列的生長，通過調節襯底上晶核密 度、大小等條件，實現ZnO納米棒陣列直徑大小的可控生長。2、本發明ZnO納米棒陣列的掃描電鏡(SEM)圖及其對應的晶核層的原子力顯微鏡 (AFM)圖(見圖1)表明，通過改變醋酸鋅溶液在襯底上的旋塗次數改變ZnO納米顆粒的密 度和大小，有效控制了 ZnO納米棒陣列的尺寸，實現了直徑由40nm至150nm的可控生長，圖 2給出了晶核層的密度和ZnO納米棒陣列直徑大小的統計結果。此外，通過改變晶核層的燒 結溫度，改變了襯底上ZnO納米顆粒的大小(見圖3)，對比ZnO納米棒陣列的SEM圖及其對 應的晶核層的AFM圖，經分析，襯底上ZnO納米顆粒的密度和大小共同決定著ZnO納米棒陣 列的直徑大小，但是當納米顆粒密度大於臨界值2. 3 X IO8CnT2時，密度在ZnO納米棒陣列尺 寸的控制中起到主要作用。3、本發明兩步化學水浴沉積法不但具有操作簡單，93°C低溫生長，低耗費，適於在除塑料外的任何襯底上生長，易於實現大規模生產等優點。而且通過調節晶核層ZnO納米 顆粒的密度和大小，成功實現了 ZnO納米棒陣列直徑大小可控生長。本發明為其他納米材 料尺寸可控生長提供了有效後備方法。
圖1是本發明不同直徑大小ZnO納米棒陣列的SEM圖像及相應襯底上的AFM圖像。圖2是本發明ZnO納米棒陣列直徑大小與襯底上ZnO納米顆粒密度的關係圖。圖3是不同溫度燒結後襯底的AFM圖像和相應ZnO納米棒陣列的SEM圖像。
具體實施例方式在附圖1中襯底上納米顆粒的密度和ZnO納米棒陣列的直徑大小分別為(a)、 4. 9X10W,200nm ； (b)、9· 52 X IO8CnT2，90nm ； (c)、2· 51 X 109cnT2，40nm。在附圖3中燒結溫度，ZnO納米顆粒密度及ZnO納米棒陣列直徑分別為(a)、 250°C,2. 02X 109cm_2，50匪；(b)、500°C，1. 38X 109cm_2，70匪；(c)、600°C，1. 35X 109cm_2，70匪。本發明的具體操作步驟如下第一步ZnO晶核層的製備①、配置Zn (OOCCH3)2 ·2Η20酒精溶液，摩爾濃度為0. 005Μ。65°C加熱磁力攪拌lh， 形成無色透明溶液。②、Si襯底依次放在乙醇和去離子水中超聲處理20分鐘，在空氣中晾乾待用。③、使用旋塗儀將步驟①中的無色透明溶液旋塗在Si襯底上，旋塗時間30秒，旋 塗速度2000轉/秒，旋塗1或2或3或4次後，250°C燒結30分鐘；④、重複上述步驟③一次，最終在Si襯底上生成了 ZnO納米顆粒晶核層。保持燒結溫度不變(250°C )，改變旋塗次數(N = 1，2，3，4)，納米顆粒密度的變化 情況根據圖1歸納於表1 表1旋塗次數對襯底上ZnO顆粒密度以及ZnO納米棒直徑的影響
權利要求
一種ZnO納米棒陣列尺寸可控生長方法，其特徵在於該方法是先在襯底上製備ZnO晶核層，再利用化學水浴沉積法進行納米棒陣列的生長，通過改變ZnO納米顆粒的密度和大小從而控制ZnO納米棒陣列的直徑大小；其具體步驟如下第一步ZnO晶核層的製備①、配置Zn(OOCCH3)2·2H2O酒精溶液，摩爾濃度為0.005M，65℃加熱磁力攪拌1h，形成無色透明溶液；②、將Si襯底依次放在無水乙醇和去離子水中超聲處理20分鐘，在空氣中晾乾待用；③、使用旋塗儀將步驟①中的無色透明溶液旋塗在Si襯底上，旋塗時間30秒，旋塗速度2000轉/秒，旋塗1或2或3或4次後，250℃燒結30分鐘；④、重複上述步驟③一次，最終在Si襯底上生成了ZnO納米顆粒晶核層，上述③、④隨著旋塗次數的改變，ZnO納米顆粒的密度將發生改變，當保持旋塗次數不變時，改變燒結溫度T 250℃或500℃或600℃，ZnO納米顆粒的大小將發生改變；第二步ZnO納米棒陣列的製備①、將硝酸鋅和六次甲基四胺以等摩爾比1∶1溶於去離子水中，硝酸鋅和六次甲基四胺濃度皆為1M，配製好的反應溶液，放於燒杯中；②、將鍍有ZnO納米顆粒晶核層的Si襯底傾斜置於盛有①中反應溶液的燒杯底部，放入93℃的反應爐中，生長2h；③、反應後，將襯底取出，用去離子水清洗乾淨，晾乾即可；當襯底上ZnO納米顆粒密度大於臨界值2.3×108cm 2時，實現ZnO納米棒陣列由40nm～150nm的可控生長。
2.根據權利要求1所述的一種ZnO納米棒陣列尺寸可控生長方法，其特徵在於所述 的Si襯底與燒杯底部傾斜的角度為45 70°。
全文摘要
本發明涉及一種ZnO納米棒陣列尺寸可控生長的方法，該方法是先在襯底上製備ZnO晶核層，再利用化學水浴沉積法進行納米棒陣列的生長，通過改變ZnO納米顆粒的密度和大小從而控制ZnO納米棒陣列的直徑大小，本發明兩步化學水浴沉積法不但具有操作簡單，93℃低溫生長，低耗費，適於在除塑料外的任何襯底上生長，易於實現大規模生產等優點。而且通過調節晶核層ZnO納米顆粒的密度和大小，成功實現了ZnO納米棒陣列直徑大小可控生長。本發明為其他納米材料尺寸可控生長提供了有效後備方法。
文檔編號C30B29/16GK101994149SQ20091006740
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月12日 優先權日2009年8月12日
發明者劉曉豔, 楊麗麗, 楊景海, 王睿, 高銘 申請人:吉林師範大學