氧化锌纳米或微米管的制备方法
【专利摘要】一种ZnO纳米或微米管的制备方法，属于纳米/微米材料制备【技术领域】。基本制备工艺为：将ZnO粉、碳粉和水按一定重量比例混合均匀作为原料，放入石英舟，并将沉积基片倒扣在原料上方，将管式炉温度升至1000℃以上，然后将石英舟推入管式炉的石英管中心位置，保温一定时间后，将石英舟拉出，自然冷却到室温，取出硅片，所得产品即为ZnO纳米或微米管。该制备方法工艺简单，重复性好，产品形貌规则，表面光滑，晶体质量高。
【专利说明】氧化锌纳米或微米管的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米/微米材料，特别是一种ZnO纳米或微米管的制备方法，该合成工 艺简单且重复性好，所得产物截面规则，表面光滑，晶体质量好。
【背景技术】
[0002] ZnO作为一种II-VI族直接带隙半导体材料，由于具有宽禁带（3. 3eV)、高激子结 合能（60meV)，是光电纳米器件的理想材料，如ZnO气敏材料、紫外发光二极管、光学微腔等 等。因此，管状ZnO纳米结构在各个领域都有很大的应用前景，并受到了广泛的研宄。
[0003] 目前为止，管状ZnO纳米/微米结构的制备方法一般采用液相法、化学气相沉积 法、模板法，其中模板法（D. S. Kim, S. -M. Lee, R. Scholz, M. Knez, U. G0sele，J. Fallert, H. Kalt, and Μ· Zacharias, Appl. Phys. Lett. 2013, 93, 103108)工艺复杂且制备成本高；液相 法（Y. Sun, G. M. Fuge，N. A. Fox, D. J. Riley, Μ. N. R. Ashfold，Adv. Mater. 2005, 17, 2477)步 骤繁琐，或需要一定的高压、微波、刻蚀等辅助条件；气相法（?].6&〇，(：.5.1^ 〇，￥.011^，2· L. Wang, Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 53)则要在一定的压力或气氛环境中进行，且对设备 的要求较高。此外，现已报道的管状ZnO纳米/微米结构表面粗糙，且不具有规则的形貌， 如 2010 年，Dong 等（H. Dong, Z. Chen, L. Sun, W. Xie, Η. H. Tan, J. Lu, C. Jagadish, X. Shen，J. Mater. Chem. 2010, 20, 5510)报道了在密闭的管式炉里，利用ZnO粉末和碳粉混合物制备得 到ZnO管状结构，然而所得到的产物形貌不规则，且内表面不光滑。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种ZnO纳米或微米管的制备方法，以克服现有制备技术 中工艺繁琐、产物形貌不规则，表面粗糙等问题。利用水辅助的碳热还原技术成功制备出 表面光滑、具有规则六边形截面的不同尺寸ZnO纳米/微米管，该ZnO纳米/微米管具有 规则六边形截面，且内外壁表面光滑，管状结构直径为2-40 μ m，壁厚为0. 5-5 μ m，管长为 20-200 μπι，在光学微腔、敏化太阳能电池、生物载药等领域有极大的应用前景。该反应过程 在常压下进行，且无需通入任何载气。该制备方法工艺简单、重复性好、产物截面规则、表面 光滑、晶体质量高。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：
[0006] 一种ZnO纳米/微米管的制备方法，其特征在于该制备方法包括下列步骤：
[0007] 1)取长方形的沉积片分别用去离子水和无水乙醇超声5min洗净，用作沉积基片； 取长方形的平底石英舟，超声洗净后用作反应器皿；
[0008] 2)将ZnO粉、碳粉和水按重量比（12?4) :6 :3配制成原料，将该原料混合均匀放 入石英舟，再将所述的基片倾斜地放置在石英舟内的原料上方；
[0009] 3)使用水平管式炉，将该水平管式炉内的石英管两侧开放，开启水平管式炉，升温 到1000°c以上，保温；
[0010] 4)将所述的石英舟放入水平管式炉的石英管中靠近热电偶的位置，反应IOmin以 上，将石英舟拉出自然冷却到室温，取出沉积片，在沉积片上的不同位置生长有不同尺寸的 ZnO纳米/微米管。
[0011] 所述的沉积基片为单晶硅片、石英片、陶瓷片、云母片或蓝宝石片。
[0012] 所述的ZnO纳米或微米管形貌规则，内外壁均为光滑的六棱管，六棱管的直径为 2-40 μ m，壁厚为 0· 5-5 μ m，管长为 20-200 μ m。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明ZnO纳米/微米管的X射线衍射（XRD)图。
[0014] 图2为本发明ZnO纳米/微米管的扫描电子显微镜（SEM)形貌图。
【具体实施方式】
[0015] 为了对ZnO纳米/微米管的制备做进一步说明，通过实施例给出具体的实施方式 和流程。
[0016] 实施例1
[0017] (1)将单晶娃片（18mmX 14mm)分别用去离子水和无水乙醇超声清洗5min，取舟内 尺寸18_X 14_X IOmm的石英舟用去离子水超声5min，并烘干待用。
[0018] (2)将ZnO粉、碳粉（纯度均要求>99.9% )和水按重量比为6:6:3进行配制，放 在玛瑙研钵中经混合均匀，作为反应原料。
[0019] (3)将反应原料放入石英舟，将单晶硅片倾斜扣在原料上方。
[0020] (4)石英管两端开放，炉温升至1050°C，将石英舟放入水平管式炉的石英管中靠 近热电偶的位置，反应l〇min，将石英舟取出自然冷却到室温，取出单晶硅片，硅片上的白色 晶状物即为ZnO纳米/微米管。
[0021] 本实施例所得到的ZnO纳米/微米管通过XRD、SEM进行成分分析和形貌观察，有 关结果请见图1、图2。由图可见，所得所述的ZnO纳米或微米管形貌规则，内外壁均为光滑 的六棱管，六棱管的直径为2-40 μ m，壁厚为0· 5-5 μ m，管长为20-200 μ m。
[0022] 实施例2
[0023] 将ZnO粉、碳粉和水按重量比为6:6:3配制原料，放入石英舟，将Al2O 3陶瓷片倾斜 扣在原料上方。炉温升至1050°C时，石英舟推入石英管内，反应lOmin，其他同实施例1。
[0024] 实施例3
[0025] 将ZnO粉、碳粉和水按重量比为12:6:3进行配制，放入石英舟，炉温升至1050°C 时，石英舟推入石英管内，反应lOmin，其他同实施例1。
[0026] 实施例4
[0027] 将ZnO粉、碳粉和水按重量比为4:6:3进行配制，放入石英舟，炉温升至1050 °C时， 石英舟推入石英管内，反应lOmin，其他同实施例1。
[0028] 实施例5
[0029] 将ZnO粉、碳粉和水按重量比为6:6:3进行配制，放入石英舟，炉温升至1000 °C时， 石英舟推入石英管内，反应lOmin，其他同实施例1。
[0030] 实施例6
[0031] 将ZnO粉、碳粉和水按重量比为6:6:3进行配制，放入石英舟，炉温升至1050 °C时， 石英舟推入石英管内，反应15min，其他同实施例1。
【权利要求】
1. 一种ZnO纳米或微米管的制备方法，其特征在于该制备方法包括下列步骤： 1) 取长方形的沉积片分别用去离子水和无水乙醇超声5min洗净，用作沉积基片；取长 方形的平底石英舟，超声洗净后用作反应器皿； 2) 将ZnO粉、碳粉和水按重量比（12?4) :6:3配制成原料，将该原料混合均匀放入石 英舟，再将所述的基片倾斜地放置在石英舟内的原料上方； 3) 使用水平管式炉，将该水平管式炉内的石英管两侧开放，开启水平管式炉，升温到 1000°C以上，保温； 4) 将所述的石英舟放入水平管式炉的石英管中靠近热电偶的位置，反应lOmin以上， 将石英舟拉出自然冷却到室温，取出沉积片，在沉积片上的不同位置生长有不同尺寸的ZnO 纳米/微米管。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的沉积基片为单晶硅片、石英片、陶瓷 片、云母片或蓝宝石片。
3. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的ZnO纳米/微米管形貌规则，内外 壁均为光滑的六棱管，六棱管的直径为2-40 y m，壁厚为0. 5-5 y m，管长为20-200 y m。
【文档编号】B82Y30/00GK104445368SQ201410648080
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】董红星, 詹劲馨, 张龙, 柳洋, 李京周, 牟南历, 虞杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所