[发明专利]一种取向ZnO纳米棒薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种取向纳米薄膜的制备，具体涉及一种在无催化剂条件下以层状双羟基复合金属氧化物薄膜为前驱体制备取向ZnO纳米棒薄膜的方法。

背景技术

氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带半导体功能材料，室温下能带带隙为3.37eV激子束缚能为达60meV。ZnO纳米棒薄膜将ZnO优异的光电性质、压电性质、透明导电性、生物兼容性及一维结构的高比表面积等优点有效地结合起来，在生物、化学、气敏传感器、场发射、纳米激光器、太阳能电池等光电器件方面具有非常诱人的应用前景。自从2001年Yang等人通过VLS方法在蓝宝石基底上生长ZnO纳米棒阵列并在室温的环境中光泵浦激发下观察到紫外激光发射后(M.Huang，S.Mao，H.Feick，H.Yan，Y.Wu，H.Kind，E.Weber，R.Russo，P.Yang，Science 2001，292，1897)，ZnO纳米结构研究成为了国际上普遍关注的焦点。

迄今为止，制备ZnO纳米棒薄膜的方法主要有热蒸发法、溶液法、金属有机物气相外延生长法(MOVPE)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)等，在这些方法中，研究人员最常用的是热蒸发法和溶液法。热蒸发法分催化剂诱导(VLS)工艺和高温蒸发气化(VS)工艺。VLS生长工艺，一般采用Au等贵金属作为催化剂模板，制备取向排布的ZnO纳米棒阵列薄膜，然而，Au纳米颗粒在生长结束后会仍会停留在纳米棒的顶端，这对其在纳米光电器件中应用非常不利。如文献[1]D.F.Liu，Y.J.Xiang，Q.Liao，J.P.Zhang，X.C.Wu，Z.X.Zhang，L.F.Liu，W.J.Ma，J.Shen，W.Y.Zhou and S.S.Xie，Nanotechnology 18，405303(2007)；[2]H.Zhou，M.Wissinger，J.Fallert，R.Hauschild，F.Stelzl，C.Klingshirn，and H.Kalt，Appl.Phys.Lett.91，181112(2007)。高温气化VS工艺制备取向的ZnO纳米棒阵列，不仅需较高的反应温度将锌源气化，且需要预先在基底上溅射ZnO薄膜等材料作为晶种层，如文献[3]J.S.Jie，G..Z.Wang，Y.M.Chen，X.H.Han，Q.G.Wang，and J.G.Hou.，Appl.Phys.Lett.86，31909(2005)；溶液法虽然制备条件温和，但在反应过程中由于ZnO纳米棒是随机地在反应溶液中生长，取向性难以控制，需要加入有机物分子或氧化铝等作为模板，如文献[4]R.Turgeman，O.Gershevitz，M.Deutsch，B.M.Ocko，A.Gedanken，and C.N.Sukenik Chem.Mater.，175048(2005)；[5]J.S.Jie，G.Z.Wang，Q.T.Wang，Y.M.Chen，X.H.Han，X.P.Wang，and J.G.Hou，J.Phys.Chem.B.，108，11976(2004)；但溶液法制备得产品纯度不高，同时存在模板去除的问题。因此，在无催化剂和较低温度的条件下，开发出一种工艺简单的生长高质量取向ZnO纳米棒薄膜的方法十分重要。

层状双羟基复合金属氧化物又称水滑石(Layered Double Hydroxides，简写为LDHs)是一类阴离子型层状化合物，其层板金属元素均匀分布并在原子级别的均匀分散，LDHs纳米粒子具有“边-边”和“面-面”的相互作用可组装成(001)取向薄膜，该取向薄膜可经拓扑转化为具有一定择优取向的复合金属氧化物薄膜。这一特殊的结构及物化性能使其在光学、磁学、催化、分离和传感器等领域有着广泛的应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种取向ZnO纳米棒薄膜，本发明另一目的在于提供该ZnO纳米棒薄膜的制备方法，该方法无需任何催化剂或有机模板剂即可制备取向ZnO纳米棒薄膜。

本发明所提供的取向ZnO纳米棒薄膜，其特征是ZnO纳米棒垂直于基片向同一方向生长，具有c轴取向性，ZnO纳米棒直径为50-100nm，长度为100-400nm，且长度和大小较均一；该ZnO纳米棒薄膜具有很好的紫外发光性能，其在390nm处具有很强的紫外带边发射峰，其半峰宽仅为7.9nm。

本发明以锌铁水滑石(简写为ZnFe-LDH)为前驱体，经溶剂蒸发法组装成致密有序的取向ZnFe-LDH薄膜，以该薄膜为基底并作为Zn源制备取向ZnO纳米棒薄膜。

具体制备步骤如下：