[发明专利]一种水平阵列ZnO纳米线及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，特别涉及一种水平阵列ZnO纳米线及其制备方法。

背景技术

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，在电子器件、光电子器件、电化学设备、机电设备等领域已经显示出良好的应用前景，已应用于紫外激光器、发光二极管、场发射显示器、太阳能电池和压电纳米发动机等方面。水平阵列ZnO纳米线由于其可预见生长位置和生长方向，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。

水平阵列ZnO纳米线的制备方法有物理气相沉积法和水热法。物理气相沉积法的制备流程如下：将ZnO粉与石墨的混合物在管式炉中加热至900℃，在Ar气氛中于镀金的基底上制备出水平阵列ZnO纳米线。该方法的缺点是：①需在基底上镀金，这一操作会引入杂质，②气氛条件难以控制，③制备出的ZnO纳米线比较稀疏，且取向随机。水热法的制备流程如下：①将光刻胶旋涂在(100)Si基底上，光刻出图案，在图案上磁控溅射出带状ZnO，在ZnO顶部覆盖一层铬金属，②将步骤①处理后的基底放置在由Zn(NO₃)₂·6H₂O、 环六亚甲基四胺和去离子水组成的生长溶液中，放置时将基底倒置使涂层面朝下，在80℃放置12h，在接触生长溶液的ZnO晶种处即得水平阵列ZnO纳米线。该方法存在以下缺点：①需在基底上镀膜来引导水平阵列ZnO纳米线生长，该过程操作复杂，且会引入杂质，同时会造成生产成本增高；②所制备的水平阵列ZnO纳米线排列不规则，且取向没有规律。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水平阵列ZnO纳米线及其制备方法，所述水平阵列ZnO纳米线排列规则、取向规律，所述方法操作简单，可控性好，并且能节约生产成本。

本发明所述水平阵列ZnO纳米线，在蓝宝石基底平面上沿着三个相互等价的方向生长（如图1所示）。

本发明所述水平阵列ZnO纳米线的制备方法，工艺步骤如下：

（1）制备前驱溶液

将去离子水，锌盐和聚乙烯亚胺加入反应容器中，在搅拌下于室温、常压反应0.5h~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200rpm~1000rpm的转速下滴加到基底上，然后以500rpm~3000rpm的转速涂胶，所述截留所得溶液在基底上的滴加量为每1cm²基底0.5ml~5ml，涂胶时间以基底上无截留所得溶液溅出为限；

（4）热处理

采用如下方法之一进行热处理：

方法一：①将步骤（3）所得涂胶基底在常压、氧气氛围、400℃~600℃的条件下保温30min~120min，保温时间届满后，将所述涂胶基底自然冷却至室温；②将步骤①处理后的涂胶基底在常压、氧气氛围、800℃~1000℃的条件下保温120min~240min；

方法二：①将步骤（3）所得涂胶基底在常压、氧气氛围、400℃~600℃的条件下保温30min~120min，保温时间届满后，将所述涂胶基底自然冷却至室温；②将步骤①处理后的涂胶基底在常压、氧气氛围、900℃的条件下保温1min~10min，保温时间届满后，将所述涂胶基底自然冷却至室温；③将步骤②处理后的涂胶基底在常压、氧气氛围、800℃~1000℃的条件下保温120min~240min。

上述水平阵列ZnO纳米线的制备方法中，热处理时的升温速率对ZnO纳米线的形貌不会造成影响，升温速率的大小会受到热处理设备承受能力的限制。

上述水平阵列ZnO纳米线的制备方法中，采用方法一或方法二进行热处理会对ZnO纳米线的结晶度和磁性会造成不同的影响。

上述水平阵列ZnO纳米线的制备方法中，所述锌盐为硝酸锌、乙酸锌、氯化锌中的任一种。

上述水平阵列ZnO纳米线的制备方法中，所述超过滤操作所使用的超滤膜的截留分子量为400 g/mol ~10000 g/mol。

上述水平阵列ZnO纳米线的制备方法中，所述基底为（0001）蓝宝石基底。