[发明专利]一种垂直阵列ZnO纳米线的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米线制备方法领域，特别涉及一种垂直阵列ZnO纳米线的制备方法。

背景技术

纳米材料由于具有独特的尺寸结构，在纳米尺度范围内存在着以下几种与传统材料不同的效应：表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应。

ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料，在常温下其禁带宽度为3.37eV，高激子结合能约为60meV。一维ZnO纳米材料在光学、电输运、光电、压电、力电、场发射、稀磁、光催化、吸波等性能上具有显著特点，在传感、光学、电子、场发射、压电、能源、催化等领域已经显示出良好的应用前景。垂直阵列ZnO纳米线在电子学、光电子学和机电纳米器件领域有广泛应用，例如太阳能电池、场致发射器件、紫外激光器、发光二极管和纳米发动机。

垂直阵列ZnO纳米线的制备方法有金属有机化合物气相沉积法、模板辅助沉积法和固液气外延生长法。（1）金属有机化合物气相沉积的制备流程：用二乙基锌(Et₂Zn)和氧气作为反应物，分别精确控制二者采用不同的气流量，并将Si基底放置在气流下方，于400-500℃下热处理5-60min即得垂直阵列ZnO纳米线。该方法存在着气流量难以控制的缺点。（2）模板辅助沉积法的制备流程：在多孔阳极氧化铝模板上镀金，将镀金后的模板倒扣在装有锌源的刚玉舟上，然后一起装进石英管中，在氩气氛围中加热至800-900℃反应10min使Zn粉完全蒸发，此时停止通入氩气，开始通入氧气至常压，待温度降至室温即得垂直阵列ZnO纳米线。该方法的缺点是：①需在模板上进行镀金操作，这一操作会引入不需要的杂质；②气氛条件难以控制。（3）固液气外延生长法的制备流程：首先需要在基底镀金、镀膜、光刻阵列图案或者需要选择合适的基底，然后将基底放置气流下端、将锌源放置在气流上端，在氩气或者氩气与氧气的混合气体中制备垂直阵列ZnO纳米线。该方法存在以下缺点：①需在基底上镀金或者镀膜来引导阵列纳米线生长，该过程操作复杂，且会引入不需要的杂质，同时会造成生产成本较高；②需根据晶格匹配度来选择合适的基底，诸如GaN基底，导致成本过高；③需要精确控制气氛反应条件，所需要的设备比较昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种垂直阵列ZnO纳米线的制备方法，以简化操作，提高可控性，并降低生产成本。

本发明所述垂直阵列ZnO纳米线的制备方法，工艺步骤如下：

（1）制备前驱溶液

向反应容器中加入去离子水，然后加入锌盐和聚乙烯亚胺，在室温、常压下搅拌0.5~3h，得前驱溶液；所述锌盐、去离子水及聚乙烯亚胺的量以锌盐中的锌、去离子水、聚乙烯亚胺的质量比达到1:400:20~1:80:4为限；

（2）超过滤

将步骤（1）所得前驱溶液进行超过滤，超过滤时间以分离不出液体为限；

（3）旋涂

将步骤（2）截留所得溶液在200~1000rpm的转速下滴加到基底上，然后以500~3000rpm的转速涂胶10~60s；

（4）热处理

①将步骤（3）所得涂胶后的基底在常压、氧气氛围、400~600℃条件下保温30~120min，保温时间届满后，将所述基底自然冷却至室温，

②将步骤①处理后的基底在常压、氧气氛围、800~1000℃条件下保温1~10min，保温时间届满后，将所述基底自然冷却至室温，

③将步骤②处理后的基底在100~3000Pa、氧气氛围、400~600℃的条件下保温5~30min。

上述方法中，所述锌盐为硝酸锌、乙酸锌或氯化锌。

上述方法中，所述超过滤操作所使用的超滤膜的截留分子量为400~10000 g/mol。

上述方法中，所述基底为（0001）蓝宝石基底、蓝宝石基底、蓝宝石基底、蓝宝石基底、（111）硅基底中的任一种。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明所述方法将超过滤后的前驱溶液直接旋涂在基底上即可进行热处理，无需事先在基底上镀金、镀膜来或者在模板上镀金来引导阵列纳米线生长，不仅简化了操作，而且不会引入杂质，并可节约成本。

2、本发明所述方法对基底的适应性广，无需根据晶格匹配度来选择特定基底，可节约生产成本。

3、本发明所述方法采用常规设备即可实现气氛条件的控制，无需采用昂贵的设备来精确控制气氛条件，因而可降低生产成本，易于实现工业化生产。

附图说明

图1是实施例1制备的垂直阵列ZnO纳米线在放大10000倍下的SEM照片；