专利名称：一种氧化锌定向纳米棒或线薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于低维纳米材料薄膜制备，特别涉及一种晶种诱导水热沉积法合成定向排列氧化锌纳米棒或线薄膜及其制备技术。
背景技术：
氧化锌是一种重要的宽禁带半导体功能材料，室温下能带带隙为3.3eV，激子束缚能高达60meV，在紫外波段具有很强的自由激子跃迁发光，加上原材料丰富，价格便宜，对环境无毒无害，适合于薄膜的外延生长，在信息光电领域有广阔的应用前景，是近年来继GaN，GaS之后国际上又一研究热点。由于在衬底上高度有序生长的ZnO纳米结构可制作短波激光器和染料敏化纳米氧化物太阳能电极，近年来成为各国科学家研究的热点。特别是2001年杨培东发现了ZnO纳米线在室温下的光致紫外激光现象后，极大的推动了固体衬底上制备高质量定向生长的ZnO纳米线(棒)的研究。并且，近期王中林教授成功开发了ZnO纳米带、纳米环更是在国际纳米材料界掀起了轩然大波。目前制备ZnO纳米线(棒).多采用气-液-固(VLS)生长机理或化学气相沉积方法等进行，然而这些方法中多以昂贵的蓝宝石、单晶硅为固体衬底，需要复杂贵重的仪器设备和较高的温度。对于VLS法，所需温度大于800℃，对于CVD法所需温度大于500℃，制备条件相当苛刻，不利于大批量工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶种诱导水热沉积法合成定向排列氧化锌纳米棒(线)薄膜及其制备方法，该方法具有合成方法简单，成本低，可低温成膜，适合大规模生产等许多优点。
本发明提出的一种氧化锌定向纳米棒或线薄膜及其制备方法，采用水热沉积法，其特征在于所述方法以锌盐溶液和胺类表面活性剂溶液为原料，以预置有ZnO定向织构晶种为沉积衬底，衬底放于聚四氟乙烯内衬内侧，在较低反应温度下，于衬底上生长出定向生长，排列均匀的氧化锌纳米棒或线阵列薄膜，其工艺过程具体如下(1)将摩尔浓度均为1mM～25mM锌盐溶液和胺类表面活性剂溶液均匀混合后，放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中；(2)将预置有ZnO(002)定向织构晶种的玻璃，高分子聚合物，金属，无机非金属，导电玻璃各种衬底放于聚四氟乙烯内衬内侧，衬底晶种面与聚四氟乙烯内衬底面成0～90°角；(3)在50～150℃保温1～6h后，自然冷却后，在衬底上生长成定向生长，结晶度好的ZnO纳米棒或线阵列薄膜，纳米棒或线的直径约为10～500nm。
在上述制备方法中，所述锌盐为硝酸锌，氯化锌，醋酸锌，硫酸锌，柠檬酸锌，葡萄糖酸锌锌盐中的任何一种。
在上述制备方法中，所述表面活性剂为六次甲基四胺及其络合物，如苯二酚-六次甲基四胺络合物，环糊精-六次甲基四胺络合物。
由于本发明采用水热低温沉积方法，所得产物具有很好结晶性，合成的氧化锌纳米棒(线)薄膜，定向性好，结晶度高，纳米棒(线)尺寸均匀，直径范围在10～500nm之间的氧化锌纳米棒(线)阵列薄膜都能被合成。采用预置有ZnO(002)定向织构晶种的玻璃，高分子聚合物，金属，无机非金属，导电玻璃等为沉积衬底，得到表面均匀和定向性良好的ZnO纳米棒(线)薄膜。另外本制备方法在低温合成定向排列的氧化锌纳米棒(线)薄膜，所需设备简单，成本低，适宜于大规模生产定向排列的氧化锌纳米棒(线)薄膜。
图1所示为实验装置结构示意图。
图2为实施例1中所得到氧化锌定向纳米棒(线)薄膜的SEM图。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明图1为实验装置结构示意图，为本发明晶种诱导水热沉积法合成定向排列氧化锌纳米棒(线)薄膜的实验装置，它以鼓风干燥箱为加热源，聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜为反应容器，以硝酸锌，氯化锌，醋酸锌，硫酸锌，柠檬酸锌，葡萄糖酸锌等锌盐和胺类表面活性剂为实验原料，在较低的水热反应温度下，于预置有ZnO(002)定向织构晶种的玻璃，高分子聚合物，金属，无机非金属，导电玻璃等衬底上生长出表面均匀定向性良好的ZnO纳米棒(线)薄膜，沉积衬底晶种面与聚四氟乙烯内衬底面成0～90°角。
实施例1将摩尔浓度为1mM的硝酸锌溶液和摩尔浓度为2mM的六次甲基四胺溶液均匀混合后，放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，同时将预置有ZnO(002)定向织构晶种的硅片衬底放于聚四氟乙烯内衬内侧，沉积衬底晶种面与聚四氟乙烯内衬底面成90°角，60℃保温1h后，自然冷却后，最后在衬底上生长成定向生长，结晶度好的ZnO纳米棒(线)阵列薄膜，纳米棒(线)的直径约为10～30nm。
实施例2将摩尔浓度为6mM的醋酸锌溶液和摩尔浓度为5mM的六次甲基四胺溶液均匀混合后，放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，同时将预置有ZnO(002)定向织构晶种的塑料衬底放于聚四氟乙烯内衬内侧，沉积衬底晶种面与聚四氟乙烯内衬底面成70°角，70℃保温2h后，自然冷却后，最后在衬底上生长成定向生长，结晶度好的ZnO纳米棒(线)阵列薄膜，纳米棒(线)的直径约为40～60nm。
实施例3将摩尔浓度为10mM的柠檬酸锌溶液和摩尔浓度为10mM的环糊精-六次甲基四胺溶液均匀混合后，放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，同时将预置有ZnO(002)定向织构晶种的玻璃衬底放于聚四氟乙烯内衬内侧，沉积衬底晶种面与聚四氟乙烯内衬底面成50°角，90℃保温2h后，自然冷却后，最后在衬底上生长成定向生长，结晶度好的ZnO纳米棒(线)阵列薄膜，纳米棒(线)的直径约为50～80nm。
实施例4将摩尔浓度为17mM的氯化锌溶液和摩尔浓度为25mM的环糊精-六次甲基四胺溶液均匀混合后，放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，同时将预置有ZnO(002)定向织构晶种的镍片衬底放于聚四氟乙烯内衬内侧，沉积衬底晶种面与聚四氟乙烯内衬底面成30°角，120℃保温4h后，自然冷却后，最后在衬底上生长成定向生长，结晶度好的ZnO纳米棒(线)阵列薄膜，纳米棒(线)的直径约为100～140nm。
实施例5将摩尔浓度为21mM的葡萄糖酸锌溶液和摩尔浓度为16mM的苯二酚-六次甲基四胺溶液均匀混合后，放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，同时将预置有ZnO(002)定向织构晶种的导电玻璃衬底放于聚四氟乙烯内衬内侧，沉积衬底晶种面与聚四氟乙烯内衬底面成20°角，150℃保温3h后，自然冷却后，最后在衬底上生长成定向生长，结晶度好的ZnO纳米棒(线)阵列薄膜，纳米棒(线)的直径约为200～500nm。
权利要求
1.一种氧化锌定向纳米棒或线薄膜及其制备方法，采用水热沉积法，其特征在于所述方法以锌盐溶液和胺类表面活性剂溶液为原料，以预置有ZnO定向织构晶种为沉积衬底，衬底放于聚四氟乙烯内衬内侧，在较低反应温度下，于衬底上生长出定向生长，排列均匀的氧化锌纳米棒或线阵列薄膜，其工艺过程具体如下(1)将摩尔浓度均为1mM～25mM锌盐溶液和胺类表面活性剂溶液均匀混合后，放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中；(2)将预置有ZnO(002)定向织构晶种的玻璃，高分子聚合物，金属，无机非金属，导电玻璃各种衬底放于聚四氟乙烯内衬内侧，衬底晶种面与聚四氟乙烯内衬底面成0～90°角；(3)在50～150℃保温1～6h后，自然冷却后，在衬底上生长成定向生长，结晶度好的ZnO纳米棒或线阵列薄膜，纳米棒或线的直径约为10～500nm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述锌盐为硝酸锌，氯化锌，醋酸锌，硫酸锌，柠檬酸锌，葡萄糖酸锌锌盐中的任何一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述表面活性剂为六次甲基四胺及其络合物，如苯二酚-六次甲基四胺络合物，环糊精-六次甲基四胺络合物。
全文摘要
本发明涉及一种氧化锌定向纳米棒或线薄膜及其制备方法，属于低维纳米材料薄膜技术领域。所述方法采用水热沉积法，将摩尔浓度为1～25mM的锌盐溶液和胺类表面活性剂溶液均匀混合后，放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，同时将预置有ZnO定向织构晶种的各种衬底如玻璃，高分子聚合物，金属，无机非金属，导电玻璃等放于聚四氟乙烯内衬内侧，衬底晶种面与聚四氟乙烯内衬底面成0～90°角，50～150℃保温1～6h后，自然冷却后，在衬底上生长成定向生长，结晶度好的ZnO纳米棒(线)阵列薄膜，纳米棒(线)直径约为10～500nm。本方法合成温度低，工艺易控制，生长的ZnO薄膜定向性好，适宜于定向ZnO纳米棒(线)薄膜的工业化生产。
文档编号C30B29/62GK1763263SQ20051008652
公开日2006年4月26日 申请日期2005年9月27日 优先权日2005年9月27日
发明者林红, 王宁, 张罗正, 李建保, 杨晓战 申请人:清华大学