[发明专利]SnO2纳米棒有序阵列纳米材料的合成及其应用

说明书

技术领域：

本发明涉及一种无支撑自立SnO₂纳米棒有序阵列纳米材料的合成及其应用，属材料技术领域。

背景技术：

自从1991年S.Iijima在高分辨透射电镜(HRTEM)下发现碳纳米管(NTs)以来，以它特有的电学、化学和力学性质以及独特的一维臂状分子结构和在未来高科技领域中所具有的许多潜在的应用价值，迅速成为材料科学、化学及物理等领域的研究重点。随着研究的不断深入，各种新颖的一维纳米材料如纳米线、纳米棒、纳米带、纳米管、纳米同轴电缆、纳米异质结、多级纳米线或管、纳米环、纳米丝等相继发现。由于材料维度的降低和结构特征尺寸的减小，纳米棒、纳米线等一维纳米材料具有显著的表面和界面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应等，使其呈现出不同于传统材料的新奇独特的电、磁、光、热等物理和化学特性，它们在光电材料、复合材料、传感器、催化剂等方面有广阔的应用前景。2001年M.H. Huang等人首先在《Science》上报道高定向的ZnO纳米棒一维纳米有序阵列具有优异的紫外光发射特性，在室温下可作为紫外光发生器来代替蓝光激光器，使人们认识到要让这些一维纳米材料走向器件应用的关键是使之在大范围内构筑成为高度有序的一维纳米有序阵列结构。因此，制备取向性一致的一维纳米有序阵列体系成为各国科学家研究的焦点，引起了国际上的广泛关注，大量的研究随之快投入其中。而与量子点和量子阱相比，一维纳米有序阵列结构研究的发展较为缓慢，主要的困难在于如何制备具有精确可控的维度、形貌、相纯度和化学成分的一维纳米有序结构。

SnO₂是一种重要的n 型半导体材料，其用途十分广泛，可用作催化剂和化工原料，可用于导电材料，传感元件材料、半导体元件材料、电极材料及太阳能电池材料，薄膜电阻器，光电子器件等领域。SnO₂纳米线、纳米带、纳米管、纳米棒等一维纳米材料具有高的比表面积，具有较好的表面吸附特性和表面活性，使其表现出较好的导电性、气体敏感、氧化还原等特性。然而这些一维纳米材料的松散、无序性难以构建纳米器件、发挥其性能优势。一维纳米有序阵列可在多种器件上进行应用。例如，当将一维纳米有序阵列用于光伏器件时，这些结构可以增加电荷生成层与电荷传递层之间的界面面积，提高提取电荷的效率，从而提高其光电转换率。构建纳米材料器件是发挥其性能优势的重要途径，在大范围内构筑成高度有序的纳米有序阵列结构是一维纳米材料走向器件应用的关键。 

目前，人们已通过各种化学、电化学及物理的方法制备出具有高定向和各种形貌的SnO₂纳米棒、纳米管等一维纳米有序阵列，如催化剂辅助气相-液相-固相外延生长法、金属有机化学气相沉积法（CVD）、激光溅射沉积法、热蒸发氧化法（TE）等。然而这些方法中多以昂贵的蓝宝石为固体基底，以贵金属金等为催化剂，需要贵重的仪器设备和及严格的实验条件和复杂的实验程序。而湿化学法由于其设备简单、操作容易、成本低及有利于大规模使用等特点，越来越受到人们的青睐。因具有操作比较简单，而且易于控制及低成本，并且在密闭体系中可以有效地防止有毒物质的挥发和制备对空气敏感的前驱体等优点，因此水热合成方法制备SnO₂一维纳米有序阵列更方便和更经济，水热合成是一种制备SnO₂一维纳米有序阵列材料的重要技术。但是，用水热法制备SnO₂一维纳米有序阵列，通常都要在前驱体溶液中加入表面活性剂、预沉积SnO₂种籽层和各种材料的基底层、或在反应过程中添加催化剂等辅助条件，以于基底层上生长SnO₂一维纳米有序阵列，相比较而言实验程序还是较为复杂。因此，研究不使用表面活性剂、预沉积SnO₂种籽层和基底层、或添加催化剂等辅助条件和工序，通过调节水热反应前驱体溶液体系的热力学性质，利用晶体结构本征各向异性和水热反应的特点，合成无支撑自立的SnO₂一维纳米有序阵列纳米材料的水热合成技术及SnO₂一维纳米有序阵列纳米材料的应用，具有重要的实际应用价值。 

发明内容：