[发明专利]一种纳米氧化锌定向阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料阵列的制备技术领域，具体涉及纳米氧化锌定向阵列的制备方法。

背景技术

ZnO是典型的Ⅱ-Ⅵ族直接宽禁带半导体材料，在常温下的禁带宽度是3.37eV，与GaN相似，激子结合能高达60meV，远大于ZnSe(22meV)和 GaN(25meV)，同时ZnO在光、电、热等方面具有特殊的性能，化学稳定性好，材料制备工艺简单，成本低，是非常有应用潜力的第三代半导体材料。近年来，随着纳米氧化锌材料研究的深入和发展，氧化锌纳米阵列的制备工艺得到了完善和改进。目前合成氧化锌纳米阵列的方法有很多，如气相沉积法、溶液法、电化学沉积法、硬模板法、分子束外延法等。这些方法各有优劣，其中气相沉积法有利于长纳米线的制备及元素掺杂生长，缺点是反应温度较高，阵列可控性差，结晶性差。溶液法包括晶种层制备和前驱液反应，虽然工艺简单、成本低廉，但是晶种层制备温度较高，对衬底具有选择性。电化学沉积法的制备工艺简单且反应温度较低，但制备的阵列缺陷较多且多为多晶纳米线。硬模板法具有较高的稳定性和良好的空间限域作用，能严格地控制阵列的大小和形貌，但是需要复杂的设备，成本较高，硬模板的结构比较单一，阵列的工艺可控性差，难以制备大面积ZnO纳米棒阵列。分子束外延法需要复杂的设备，生长阵列成本非常高，不利于ZnO纳米棒阵列的大规模制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单，成本低，效率高，产品纯度高，适合大面积生产的纳米氧化锌定向阵列的制备方法。

本发明的纳米氧化锌定向阵列的制备方法，包括以下步骤：

 (1)将0.1mol/L~0.5mol/L的Zn盐水溶液和质量浓度1%~1.5%的聚乙烯基吡咯烷酮水溶液按Zn²⁺/聚乙烯基吡咯烷酮摩尔比为2：1～1：2混合，得到混合溶液；

(2)将氨水滴入步骤(1)制备的混合溶液中，调节混合溶液的pH值为10~11，得到聚乙烯基吡咯烷酮-Zn(OH)₂络合溶液；

(3)将表面极化处理过的抛光洁净硅（100）衬底水平浸入步骤(2)配置好的聚乙烯基吡咯烷酮-Zn(OH)₂络合溶液,保温3h，取出硅片;

(4)将步骤(3)取出的硅片放在刚玉舟上，置于管式炉中，在20ml/min~60ml/min的氧气流速下，以5℃/min的加热速率升温到420℃氧化烧结0.5~1.5h；

(5)硅片自然降温至室温后用90℃去离子水反复冲洗，于空气中晾干，得到纳米氧化锌定向阵列。

本发明步骤（1）中，所说的Zn盐可以采用Zn(CH₃COO)₂·2H₂O、ZnCl₂或Zn(NO₃)₂。所说的聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量为1000~1300000。

上述的抛光洁净硅为N型，厚度440μm，电阻率为10^-2~10^-3Ω·cm，晶向为<100>。

本发明采用高分子络合和低温氧化烧结反应，以聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）作为高分子自组装络合载体，通过调节聚乙烯基吡咯烷酮水溶液的质量浓度、Zn²⁺/PVP摩尔比、聚乙烯基吡咯烷酮-Zn(OH)₂络合溶液的pH值来构筑高分子软模板的形态，利用聚合物网络骨架控制氧化锌晶体的成核和生长，得到大面积垂直于硅衬底取向生长、粒径和分布均匀、结晶度高、六方相红锌矿结构纳米氧化锌阵列。聚乙烯基吡咯烷酮高分子软模板形态多样，工艺可控性好，容易构筑，不需要复杂的设备，成本低，效率高，工艺简单，制备周期短，适合大面积合成纳米氧化锌阵列。

附图说明

图1为纳米ZnO阵列的场发射扫描电镜照片。

图2为纳米ZnO阵列的X射线衍射图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行具体说明。

实施例1

（1）将0.2mol/L的醋酸锌水溶液和质量浓度1.2%的聚乙烯基吡咯烷酮水溶液按Zn²⁺/PVP摩尔比1:1混合，得到混合溶液； 

（2）将氨水滴入步骤(1)制备的混合溶液中，调节混合溶液的pH值为10.5，得到PVP-Zn(OH)₂络合溶液；