一步電沉積製備ZnO納米棒陣列的方法
2023-10-21 09:09:32
專利名稱：一步電沉積製備ZnO納米棒陣列的方法
技術領域：
本發明涉及一種在透明導電玻璃上製備直立ZnO納米棒陣列的方法。屬於納米光電器件製備技術領域。
背景技術：
在透明導電玻璃上製備大規模直立ZnO納米棒陣列在納米光催化器件、光伏器件方面都引起極大的關注。液相法製備ZnO納米棒陣列的技術由於具有高產出率、低溫度並且基底選擇面廣而倍受青睞。然而，目前採用的液相法如水熱法和聲化學法需要抗壓設備或超聲空化，這會降低納米結構形貌的可控性。電沉積法可有效解決上述問題，但目前常用的電沉積法中，需要配製複雜的溶液或在基底沉積緩衝層，因此開發一種簡單且普適的電沉積法成為當務之需。 經對現有技術文獻的檢索發現，Zhuo Zhang等人在《Journal of PhysicsChemistry C》第114卷(2010年)189-193頁報導了通過在Si基底上直接電沉積製備ZnO直立納米棒陣列的方法。該方法通過在硝酸鋅水溶液中逐滴加入氫氧化銨溶液(28 wt%NH3的水溶液)配製成Zn(NH3)4(NO3)2溶液，然後在80°C的該電解液中電沉積生長ZnO納米棒。該方法無需對基底表面預處理、無需在溶液中通氧、無需施壓，但溶液的配製仍較為複雜。
發明內容
本發明目的在於克服現有技術的不足，提供一種對操作環境要求寬鬆、溶液配製更為便利的ZnO直立納米棒陣列在透明導電玻璃上的沉積方法。本發明中，在氧化銦錫(ITO)玻璃上的大規模ZnO納米棒陣列可通過簡單的一步電沉積法製得。沒有添加劑、預處理層或模板應用在電沉積過程中，從而可以使其它幹擾因素的影響最小化。本發明中採用的方法比以往報導過的電沉積方法都要簡便，使得它更適用於大規模、低成本納米器件的製備。本方法通過直流電沉積生長技術在ITO透明導電玻璃上生長ZnO納米棒，製備出的納米棒直徑在100-180 nm可調，納米棒陣列高度在600-1500 nm範圍內可調。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括如下步驟
a.配製一定濃度的Zn(NO3) 2水溶液
配製濃度為O. 01-0. 05 mol/L的Zn(NO3)2水溶液；
b.採用直流電沉積法在ITO導電玻璃上進行沉積
電流密度在O. 1-1 mA ^nT2，溫度在75-95 °C，沉積採用二電極體系，兩電極保持平行，間距約為2 cm，沉積時間為20-40分鐘。沉積完成後，將樣品用去離子水反覆清洗，去除樣品上殘留溶液離子；
c.對生長好的ZnO納米棒陣列進行熱處理
在150-200 1進行退火處理，保溫6小時，熱處理氣氛為空氣氣氛；最終得到ZnO納米棒陣列。本發明製備得到的產物的物理化學特徵為顏色為無色透明，通過X射線衍射分析得到產物的晶相是六角纖鋅礦結構，ZnO納米棒沿c軸有著顯著的擇優取向。通過場發射掃描電子顯微鏡的觀察，納米棒直徑在100-180 nm可調，納米棒陣列高度在600-1500 nm範圍內可調，納米棒中心間距在150_300 nm可調。與現有技術相比本發明的優點在於本發明製備ZnO納米棒陣列的溶液配製簡單，成本低廉，比以往報導過的電沉積方法都要簡便，使得它更適用於大規模、低成本納米器件的製備。
圖I為本發明實施例I所得的ZnO納米棒陣列的X射線衍射圖。圖2為本發明實施例I所得的ZnO納米棒陣列的掃描電子顯微鏡 的側視照。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。實施例I
電化學沉積過程在O. 01 mol/L Zn(NO3)2水溶液中進行，採用的電源為二電極體系，電流密度恆定在O. I mA · cm_2，溫度恆定在75 °C，沉積時間為30分鐘。ITO玻璃基底連接陰極，陽極採用2. 25 cm2的鉬片，兩電極保持平行，間距為2 cm。沉積完成後，所有樣品用去離子水反覆清洗，去除樣品上殘留溶液離子。之後，將樣品置於管式熱處理爐中進行150 V退火處理。熱處理在周圍空氣氣氛中進行，以I. 5 V HiirT1的加熱速度升溫至設定溫度，保溫6 h,然後以1.5 V mirT1速度冷卻至室溫。通過肉眼觀察ZnO納米棒陣列顏色為無色透明，通過X射線衍射分析(圖I)得到產物的晶相是六角纖鋅礦結構，(002)衍射峰的強度要顯著高於ZnO的其它峰強，說明ZnO納米棒沿c軸有著顯著的擇優取向。通過場發射掃描電子顯微鏡的觀察(圖2)，Zn0納米棒的直徑為120-150 nm，納米棒長度為800-1000 nm，納米棒中心平均間距為300 nm。實施例2
電化學沉積過程在O. 01 mol/L Zn(NO3)2水溶液中進行，採用的電源為二電極體系，電流密度恆定在O. I mA · cm_2，溫度恆定在85 °C，沉積時間為40分鐘。ITO玻璃基底連接陰極，陽極採用2. 25 cm2的鉬片，兩電極保持平行，間距為2 cm。沉積完成後，所有樣品用去離子水反覆清洗，去除樣品上殘留溶液離子。之後，將樣品置於管式熱處理爐中進行150 V退火處理。熱處理在周圍空氣氣氛中進行，以I. 5 V mirT1的加熱速度升溫至設定溫度，保溫6 h,然後以1.5 V mirT1速度冷卻至室溫。ZnO納米棒陣列顏色為無色透明，通過X射線衍射分析得到產物的晶相是六角纖鋅礦結構。通過場發射掃描電子顯微鏡的觀察，ZnO納米棒的直徑為150-180 nm，納米棒長度為1200-1500 nm，納米棒中心平均間距為300 nm。實施例3
電化學沉積過程在O. 05 mol/L Zn(NO3)2水溶液中進行，採用的電源為二電極體系，電流密度恆定在I mA ^nT2，溫度恆定在95 °C，沉積時間為30分鐘。ITO玻璃基底連接陰極，陽極採用2. 25 cm2的鉬片，兩電極保持平行，間距為2 cm。沉積完成後，所有樣品用去離子水反覆清洗，去除樣品上殘留溶液離子。之後，將樣品置於管式熱處理爐中進行200 °C退火處理。熱處理在周圍空氣氣氛中進行，以1.5 V mirT1的加熱速度升溫至設定溫度，保溫6h,然後以I. 5 V mirT1速度冷卻至室溫。ZnO納米棒陣列顏色為無色透明，通過X射線衍射分析得到產物的晶相是六角纖鋅礦結構。通過場發射掃描電子顯微鏡的觀察，ZnO納米棒的直徑為100-120 nm，納米棒長度為800-1000 nm，納米棒中心平均間距為150 nm。 本發明的有益效果是本發明製備ZnO納米棒陣列的方法簡單、易於操作，製備成本低廉，對環境要求寬鬆，製備的納米棒直徑在100-180 nm可調，納米棒陣列高度在600-1500 nm範圍內可調，納米棒中心間距在150-300 nm可調，適用於組裝納米光催化器 件、光伏器件等納米器件。
權利要求
1.一種一步電沉積製備ZnO納米棒陣列的方法，其特徵在於具有以下的過程和步驟 a.配製一定濃度的Zn(NO3) 2水溶液 配製濃度為O. 01-0. 05 mol/L的Zn(NO3)2水溶液； b.採用直流電沉積法在ITO導電玻璃上進行沉積 電流密度在O. 1-1 mA ^nT2，溫度在75-95 °C，沉積採用二電極體系，兩電極保持平行，間距約為2 cm，沉積時間為20-40分鐘；沉積完成後，將樣品用去離子水反覆清洗，去除樣品上殘留溶液離子； c.對生長好的ZnO納米棒陣列進行熱處理 在150-200 1進行退火處理，保溫6小時，熱處理氣氛為空氣氣氛；最終製得ZnO納米棒陣列。
全文摘要
本發明涉及一種通過直流電沉積在透明導電玻璃上生長ZnO納米棒陣列的方法。屬於納米光電器件製備技術領域。其步驟包括首先，配製一定濃度的Zn(NO3)2水溶液；其次，採用直流電沉積法在導電玻璃上進行沉積；最後，對生長好的ZnO納米棒陣列進行熱處理。本發明製備ZnO納米棒陣列的溶液配製簡單，成本低廉，比以往報導過的電沉積方法都要簡便，使得它更適用於大規模、低成本納米器件的製備。通過本方法製備的ZnO納米棒陣列直徑、高度、密度可調，可用於納米光催化器件、光伏器件等納米器件的組裝。
文檔編號C25D9/06GK102691084SQ201210211728
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月26日 優先權日2012年6月26日
發明者任鑫, 趙彬 申請人:上海大學