一种具有花瓣效应的ZnO纳米结构的制备方法
【专利说明】一种具有花瓣效应的ZnO纳米结构的制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于纳米材料领域，具体是一种具有花瓣效应的ZnO纳米结构的制备方法。
【背景技术】
[0003]浸润性是固体表面的重要特性之一，它与固体表面的微观几何结构和表面的化学成分密切相关。一般用液体在固体表面的接触角来衡量浸润性，把接触角小于90°的固体表面称为亲水表面，其中小于10°的为超亲水表面；而大于90°的表面称为疏水表面，超过150°的称为超疏水表面。因具有独特的表面浸润性，超疏水表面在自清洁、抗腐蚀和微流体器件等领域具有良好的应用前景，引起了人们的研究兴趣。传统的超疏水表面(即荷叶效应)，水滴在表面具有较大的接触角，粘附力极小，极易滚动。然而，人们在研究超疏水表面过程中发现，另一类超疏水表面上的液滴具有不同的动态行为(即花瓣效应)，液滴同样具有较大的接触角，但粘附力很大，不能在表面自由滚动，甚至当液滴倒立时，依然牢牢地吸附在固体表面，这些奇特的现象引起了科研工作者极大的兴趣。研究表明，具有粘附性能的超疏水表面与其表面的微观结构及化学成分密切相关。
[0004]氧化锌是一种I1-VI族宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.37 eV，且具有较高激子结合能(60 meV)0由于存在表面效应、小尺寸效应和宏观隧道效应等，使得氧化锌纳米材料具有独特的力学、热学、光学、磁学、电学等方面的性能。人们采用不同的方法制备出不同尺度的氧化锌纳米棒、纳米柱和纳米线等，且能形成具有微/纳二元结构的氧化锌。研究结果表明，具有微/纳二元结构的氧化锌表现出疏水特性，且能在疏水和亲水性之间发生可逆转变，使得该类薄膜在智能微流控制芯片、可控药物传输和自清洁等领域具有重要的应用前景。
[0005]目前关于氧化锌纳米材料表面浸润性的研究工作较多，但有关的氧化锌纳米材料表面花瓣效应的研究工作相对较少。现有技术制备的氧化锌纳米材料的表面花瓣效应不明显，且存在制备过程过于复杂、需要昂贵的实验药品或者超疏水性能不是很优异等问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术氧化锌纳米材料表面花瓣效应不明显、制备过程过于复杂、需要昂贵的实验药品的缺陷，提供一种具有明显花瓣效应的氧化锌纳米结构的制备方法，该表面接触角高达156°，表现为超疏水特性；且当水滴倒立时依然吸附于表面，粘附力极强。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种具有花瓣效应的氧化锌纳米结构的制备方法，包括以下步骤:
(1)配制锌盐溶胶:将醋酸锌加入到乙二醇甲醚中，得到醋酸锌溶液，向醋酸锌溶液中加入乙醇胺稳定剂，57-63°C水浴条件下加热搅拌l_3h，陈化，得到无色透明溶胶；
(2)制备氧化锌籽晶:选用载玻片作为薄膜生长基片，采用旋转涂膜法进行镀膜，1500rpm低转速条件下向基片上滴加溶胶，3000rpm高转速条件下勾胶，勾胶时间30s，形成湿膜，然后将湿膜在145-155°C下进行预处理8-12min ;在经镀膜和预处理后的基片上再重复上述镀膜和预处理步骤1次；退火，温度为480-520°C，保温60min后自然冷却，得到氧化锌籽晶；
(3)制备具有花瓣效应的氧化锌纳米结构:配制六水合硝酸锌水溶液，加入缓释剂六亚甲基四胺，用氨水调节溶液的pH值在10-12之间，将混合液置于高压釜中，然后将制备有氧化锌籽晶层的衬底面朝下浸没于混合液中，在90-96°C条件下水热反应1.5-2.5h，自然冷却，去离子水清洗，烘干，得具有花瓣效应的氧化锌纳米结构。
[0008]作为进一步地优选，本发明所述步骤(1)中醋酸锌溶液的浓度为0.45-0.55mol/L。
[0009]作为进一步地优选，本发明所述步骤(1)中醋酸锌与乙醇胺的摩尔比为1:1。
[0010]作为进一步地优选，本发明所述步骤(2)中薄膜生长基片进行预处理:分别在丙酮和去离子水中超声清洗lOmin，在60°C条件下烘干，备用。
[0011]作为进一步地优选，本发明所述步骤(3)混合液中六水合硝酸锌的浓度为
0.01-0.03 mol/Lo
[0012]作为进一步地优选，本发明所述步骤(3)烘干温度为60-80°C。
[0013]本发明的有益效果:本发明方法制备的氧化锌具有网状结构，该结构中纳米棒之间的间隙较大，纳米棒相对较细且发生倾斜，相邻纳米棒顶端发生团聚，该氧化锌表面存在微/纳二元结构，表面粗糙因子增大，根据Wenzel模型，粗糙因子增大有助于增强疏水材料的表面接触角，使得其接触角高达156° ;本发明中水滴通过毛细管效应渗入微/纳二元结构表面的间隙中，毛细管作用力足够强，以至于当基片倒置时，水滴依然倒立于该结构的表面；本发明与现有技术的纳米氧化锌结构相比，本发明方法制备的氧化锌纳米结构的疏水性能更好，粘附力更强；本发明氧化锌纳米结构只在有籽晶层的地方生长，没有籽晶层的地方不生长，可以通过控制籽晶层的位置来控制氧化锌纳米材料生长的位置。
【附图说明】
[0014]图1为本发明一种具有花瓣效应的氧化锌纳米结构的制备方法中实施例1所得氧化锌纳米材料的表面形貌。
[0015]图2为本发明一种具有花瓣效应的氧化锌纳米结构的制备方法中实施例1所得氧化锌纳米材料表面正立的水滴照片。
[0016]图3为本发明一种具有花瓣效应的氧化锌纳米结构的制备方法中实施例1所得氧化锌纳米材料表面倒立的水滴照片。
[0017]图4为本发明一种具有花瓣效应的氧化锌纳米结构的制备方法中实施例1所得氧化锌纳米材料的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0018]为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0019]—种具有花瓣效应的氧化锌纳米结构的制备方法，包括以下步骤:
1、配制锌盐溶胶:
将醋酸锌加入到乙二醇甲醚中，得到醋酸锌溶液，向醋酸锌溶液中加入乙醇胺稳定剂，60°C水浴条件下加热搅拌2h，陈化24h，得到无色透明溶胶。
[0020]2、制备氧化锌籽晶:
选用载玻片作为薄膜生长基片，分别在丙酮和去离子水中超声清洗lOmin，在60°C条件下烘干，备用。
[0021]采用旋转涂膜法进行镀膜，1500rpm低转速条件下向基片上滴加溶胶，3000rpm高转速条件下匀胶，匀胶时间30s，形成湿膜，然后对湿膜进行预处理，温度和时间分别为150°C和lOmin ;在经镀膜和预处理后的基片上重复上述镀膜和预处理步骤1次；最后放入高温管式炉中退火处理，温度为500°C，保温60min后自然冷却，得到氧化锌籽晶。
[0022]3、制备具有花瓣效应的氧化锌纳米结构:
将六水合硝酸锌溶于去离子水，加入缓释剂六亚甲基四胺，用氨水调节溶液的pH值，将混合液置于高压釜中，然后将制备有氧化锌籽晶层的衬底面朝下浸没于混合液中，在95°C条件下水热反应2h，自然冷却，去离子水清