[发明专利]一种氧化锌纳米结构的脉冲激光诱导制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米材料制备和激光微纳加工技术领域，特指一种利用超短脉冲激光对置于双氧水中的锌基材料表面进行辐照而制备出不同形貌氧化锌纳米结构的方法，可适用于锌片或采用不同衬底的锌膜材料。

背景技术

作为宽带隙半导体材料（常温下带隙为3.37 eV），氧化锌以其独特的光学、电学、磁学、力学和催化等性能在太阳能电池、短波激光器、发光二极管、紫外线屏蔽器、气敏传感器、光催化剂等方面具有广阔的应用前景；众所周知，氧化锌的性能取决于其结构形貌和尺寸大小，而其形貌和尺寸又可通过具体的制备工艺进行调控，因此寻求氧化锌纳米结构的可控性制备工艺显得尤为重要。

目前，氧化锌纳米结构的常用制备方法主要有化学气相沉积法、水热法、连续原子层吸附反应法、溶胶-凝胶法、电沉积法、热蒸发法、喷涂热解法等，但由于这些方法的制备过程繁复、所需的制备时间太长（几小时至几十小时）、有的还需要有毒有害的有机添加剂，往往会带来操作过程复杂、制备效率低下、易污染坏境等一系列问题，此外，采用这些方法制备氧化锌纳米结构时可控性也不易保证，且所得产物的形貌和尺寸不均；在先技术中，采用激光诱导法制备氧化锌纳米结构的方法主要有两种：一种是激光诱导分解法，即采用激光辐照滴于衬底上的含锌有机化合物溶液，激光作为能量源使得溶液中含锌有机化合物分解而形成不同的氧化锌纳米结构，如Fauteux等分别将水合乙酰丙酮锌与去离子水和变性乙醇混合，或二水合醋酸锌与甲醇、去离子水和单乙醇胺混合配制成溶液，将其分别滴于不锈钢或石英衬底上，经过CO₂激光器输出的10.6 μm波长激光辐照后，得到了氧化锌纳米棒、纳米线、纳米颗粒、纳米针、纳米钉等结构（参见文献：[1] C. Fauteux, R. Longtin, J. Pegna, and D. Therriault. Inorganic Chemistry 46 (2007) 11036~11047; [2] C. Fauteux, M.A.E. Khakani, J. Pegna, and D. Therriault. Applied Physics A 94 (2009) 819~829），但这种方法由于需要甲醇、单乙醇胺等有机溶剂及含锌有机化合物，不仅成本相对较高，而且对环境和人身有害，且溶液的定量化配比也较难控制；另一种是激光诱导自组织法，即通过激光辐照置于样品台上的抛光氧化锌晶体试样而诱导出氧化锌自组织纳米结构，如Guo（郭晓东）等采用聚焦的800 nm飞秒脉冲激光辐照氧化锌试样表面，获得了尺寸为150~160 nm的氧化锌纳米颗粒和周期为150~180 nm的氧化锌纳米波纹（或光栅）结构（参见文献：[1] X.D. Guo, R.X. Li, Y. Hang, Z.Z. Xu, B.K. Yu, H.L. Ma, B. Lu, and X.W. Sun. Materials Letters 62 (2008) 1769~1771; [2] M.J. Zhong, G.L. Guo, J.Y. Yang, N.H. Ma, G. Ye, X.D. Guo, R.X. Li, and H.L. Ma. Chinese Physics B 17 (2008) 1223~1226），但这种方法可得到的氧化锌纳米结构形貌单一，尺寸受激光波长的制约，而且需要滤光片、四分之一波片、格兰偏振镜等特殊光学元件，光路调节复杂且成本相对较高。

发明内容

本发明的目的是克服在先技术上的不足，提供一种在双氧水中利用超短脉冲激光诱导制备氧化锌纳米结构的方法，无需特殊的有机溶剂、有机化合物和光学元件即可实现不同形貌氧化锌纳米结构的制备。

本发明提出的激光诱导制备方法的技术方案如下：

一种氧化锌纳米结构的脉冲激光诱导制备方法，其特征在于按照以下步骤实施：

1）选用超短脉冲激光器，要求其脉冲宽度小于20 ns、波长为355~1064 nm。

2）对锌片或锌膜材料样品进行前期清洗，清洗的方法为：先将样品依次放入去离子水、无水乙醇、丙酮、去离子水中超声清洗，时间均为10 分钟（温度25 ℃、功率40 W），然后用去离子水冲洗样品表面以去除表面杂质和残留清洗液，随后将样品置于氮气流下吹干或者自然干燥。