[发明专利]一种氧化锌纳米薄膜的原位合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化锌纳米薄膜的原位合成方法，具体涉及一种直接生长在锌基体上的氧化锌纳米薄膜的原位合成技术。

技术背景

ZnO作为一种新型的直接宽带隙半导体材料，室温下其禁带宽度为3.37eV，室温下激子结合能为60meV，使其成为理想的紫外波段的光电子器件材料，是继GaN之后的十分有潜在应用前景的半导体材料。ZnO具有优异的光学、电学、光电、压电、压敏和气敏等特性，被广泛应用于光电子器件、太阳能电池、传感器、催化剂、气敏材料等。各种形态、维度的ZnO纳米材料的制备和应用受到了人们普遍的关注，具有特殊性能的形貌各异的ZnO纳米材料如ZnO量子点、纳米带、纳米棒、纳米线。纳米管、纳米环等被成功的制备出来。关于ZnO薄膜材料的研究开始于上世纪七十年代初期，ZnO薄膜的制备方法主要有分子束外延法，激光脉冲沉积法，溶胶凝胶法，原子层外延法，磁控溅射法，高质量的、具有高度取向性生长的ZnO薄膜主要是作为紫外光探测器、单片集成、表面声波器件、发光显示器件、气敏传感器、太阳能电池等领域。例如文献Science 2001(292)：1897-1899中，杨培东等人在兰宝石基底上制备一维的ZnO纳米薄膜，并研究其在紫外光激发条件下的光致发光情况。在文献Nature2005(4)：455-459中，杨培东等人又在导电玻璃基体上制备了性能优异的染料敏化太阳能电池。在文献J.Phys.Chem.C 2010(114)：189-193中，Zhang等人采用电沉积的方法在Si基体表面制备出ZnO纳米薄膜，并研究了该ZnO纳米薄膜的场发射性能。在文献Applied SurfaceScience 2001(169-170)：521-524中，Jin等人利用激光脉冲法在兰宝石基体表面制备出ZnO纳米薄膜，并研究了制备条件对ZnO薄膜光致发光性能的影响。在文献J.Am.Chem.Soc.2008(130)：14958-14959中，王中林等人采用两步法，即现在Si基体或GaN基体表面引入籽晶，然后利用水热法制备排列整齐的ZnO纳米薄膜。在文献J.Phys.Chem.C 2008(112)：990-995中，Fang等人重点研究了两步法制备ZnO纳米薄膜中，前期籽晶的引入对ZnO纳米薄膜的结构的影响。在上述文献中，ZnO纳米薄膜的合成多采用两步法，即先在一定的基体如Si、GaN、兰宝石等基体表面引入籽晶，通过ZnO籽晶的大小和籽晶晶体生长的各异性来制备ZnO纳米薄膜，在制备前要对基体进行一定的热处理，以增强ZnO薄膜和基体间的结合力，防止ZnO膜层的脱落。同时在上述制备方法中，基体的价格昂贵，操作复杂，一定程度上限制了ZnO薄膜的应用。我们采用原位合成技术，以硼氢化盐(M⁺BH₄)为碱性沉淀剂，以锌片作为基体同时提供反应所需要的Zn²⁺源，在锌基体表面直接合成ZnO纳米薄膜，原料廉价、工艺简单、能耗低、不污染环境，且采用原位合成技术，ZnO纳米薄膜和基体之间的结合力较强，不易从基体脱落，因而具有广泛的应用前景。

发明内容：

本发明的目的是提供一种氧化锌纳米薄膜的原位合成方法。在不引入籽晶的情况下，利用溶剂热法，以锌作为基体并提供氧化锌生长所需的Zn²⁺源，以M⁺BH₄作为碱性沉淀剂，采用原位合成技术，在锌基片表面一步制备高度规整的单晶ZnO纳米薄膜，解决了以往制备的ZnO纳米薄膜中原料价格昂贵，工艺复杂、结晶度差、需引入籽晶，以及膜层易从基体表面脱落等问题。通过调节反应体系中晶化时间和温度，从而控制ZnO纳米薄膜的大小及疏密程度。

具体制备方法如下：

A.将锌片分别用去乙醇和丙酮超声清洗10min，除去表面的杂质和油污，然后用去离子水冲洗干净，烘干备用；

B.将NaBH₄或KBH₄溶于溶剂配制浓度为0.5-2mol/L的反应溶液，较佳的浓度为0.8-1.2mol/L；所述溶剂是乙醇与水的等体积混合溶液。

C.将预处理好的锌片悬置于反应溶液中，120-200℃放置6-48小时，之后取出锌片用乙醇清洗，自然干燥，得到在锌片表面原位生长的ZnO纳米薄膜。

步骤C中较佳的反应温度是170-180℃，较佳的反应时间是20-24小时。