一种制备ZnO纳米线阵列的方法技术

本发明专利技术涉及ＺｎＯ纳米材料的制备技术领域中的针状和六角柱状ＺｎＯ纳米线阵列的可控制备方法。本发明专利技术制备ＺｎＯ薄膜的方法是首先在衬底材料上制备出银或铜的薄膜，然后将衬底浸入到总体积为５０ｍｌ的５～１２０ｍＭ的硝酸锌水溶液与１０～３０ｍＭ的二甲基胺硼烷水溶液中，保持溶液温度为６０～９０℃，充分反应后可在衬底上得到氧化锌薄膜。本发明专利技术的制备方法在衬底上形成铜或银的薄膜可以用磁控溅射的方法，或者真空蒸镀的方法，或者真空溅射的方法实现，也可以在铜的衬底表面进行抛光处理获得可生长氧化锌纳粹阵列的表面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ZnO薄膜的制备方法，特别是ZnO纳米材料的制备
中 的针状和六角柱状ZnO纳米线阵列的可控制备方法。
技术介绍
一维ZnO纳米材料具有独特的电学、光学、光电和压电特性，尤其是以阵 列形式存在的ZnO纳米线阵列具有广泛的应用价值，例如在纳米发电机、太阳 能电池、场发射电子体、光催化、传感器和激光器等领域。ZnO纳米材料的光 学和电学性质与自身的微结构非常敏感，因此有效的控制ZnO纳米线的生长及 其微结构就很重要。一维ZnO纳米材料的制备方法分为气相法和液相法两大类，其中气相法包 括磁控溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积和分子束外延等；液相法包括水热 法、模板法、微乳液法、热分解法和催化生长法等。两大类制备方法各有优点， 但相比气相法而言，液相法具有合成温度低、设备简单、易调控以及高沉积速 率等优点而受到研究者的重视。在特定衬底上可控制备出ZnO纳米线阵列是设计和制备各种器件的前提。 现有技术公开的方法是在衬底材料表面预先形成ZnO薄膜的子层，然后将衬底 浸入配制好的锌盐和胺类表面活性剂的混合溶液中，即可在ZnO子层上生长出 ZnO纳米线。如中国专利技术专利200810028488.3和200810122113.3分别采用激光 沉积或离子溅射法在衬底材料表面形成ZnO子层，然后将衬底置入锌盐和胺类 表面活性剂的混合溶液中，在衬底表面生长出ZnO纳米线阵列。从这些制备ZnO 纳米线阵列的技术来看，均存在反应时间过长、沉积速率不高、需要高温高压 和微结构不易控制等缺点。此外，现有技术多是在ZnO子层衬底上制备ZnO纳 米线，由于子层为半导体，这种结构可能会在应用中受到一定的限制。
技术实现思路
本专利技术提供可克服现有技术不足的一种简便、有效的控制ZnO纳米线阵列 结构的方法。本专利技术的方法是将铜的衬底表面进行抛光处理，然后将衬底浸入到总体积为50 ml的5 120 mM的硝酸锌水溶液与10 30 mM的二甲基胺硼烷水溶液中， 保持溶液温度为60 90 。C，充分反应后可在衬底上得到氧化锌薄膜。本专利技术的另一种方法是首先在玻璃、硅，或者陶瓷等衬底材料上制备出银 或铜的子层，然后将衬底浸入到总体积为50 ml的5 120 mM的硝酸锌水溶液 与10 30mM的二甲基胺硼烷水溶液中，保持溶液温度为60 90 °C，充分反应 后可在衬底上得到氧化锌薄膜。本专利技术在衬底材料上形成银或铜的子层的方法可以是真空蒸镀，或者真空 溅射等方法。本专利技术也可在玻璃衬底材料上采用化学法在衬底表面形成银的子层。 采用化学法在衬底材料表面形成银的子层的优选方法是a. 把玻璃衬底分别在蒸馏水、酒精、丙酮溶液中超声清洗，除去表面的杂质、 油渍；b. 把清洗好的衬底在常温下浸入到5-10 g/1的SnCl2和0.08 M的盐酸混合敏 化溶液中，浸泡0.5至5分钟；c. 取出后，浸入到蒸馏水中，大约2至20秒；d. 然后取出，再把玻璃衬底浸入到l-10g/l的常温AgNO3处理水溶液中，浸 泡1至6分钟；e. 重复步骤b-d数次，直至玻璃衬底材料由光亮透明变为茶色。 采用本专利技术，通过控制硝酸锌水溶液的不同浓度，可以得到不同形态的氧化锌薄膜，例如将带有银或铜的衬底材料或铜片浸入到50ml的5 10mM的 硝酸锌水溶液与10 30mM的二甲基胺硼垸水溶液中处理，可得到针状ZnO纳 米线阵列；将带有银或铜的衬底材料或铜片浸入到50 ml的20 70 mM的硝酸 锌水溶液与10 30mM的二甲基胺硼烷水溶液中处理，可得到截面为六角形的 柱状ZnO纳米线阵列；将带有银或铜的衬底材料或铜片浸入到50 ml的80 120 mM的硝酸锌水溶液与10 30 mM的二甲基胺硼烷水溶液中处理，可得到片状 或者多晶结构的ZnO薄膜。本专利技术的方法操作极其简便，沉积速率高，成本低，可在导电衬底上大面 积制备出ZnO纳米线阵列，有利于工业化生产及在电子器件领域中的应用。采 用化学法在Ag、 Cu衬底上制备出了微结构可控的ZnO纳米线阵列。Ag、 Cu是最常见的导电和电极材料，在其上制备ZnO纳米线与在ZnO子层衬底上制备 ZnO纳米线相比，本专利技术更有利于ZnO纳米线阵列在电子器件中的应用。 附图说明图l镀Ag玻璃衬底的扫描电镜照片。图2镀Ag玻璃衬底上生长的针状ZnO纳米线阵列的X射线衍射谱。 图3镀Ag玻璃衬底上生长的针状的ZnO纳米线阵列的扫描电镜显微照片。 图4镀Ag玻璃衬底上生长的六角柱状的ZnO纳米线阵列的扫描电镜显微 照片。图5 Cu片衬底表面生长的针状ZnO纳米线阵列的扫描电镜显微照片。 图6 SiCu衬底表面生长的针状ZnO纳米线阵列的扫描电镜显微照片。 具体实施例方式下面通过实施例对本专利技术的方法做进一步说明。 实施例l玻璃裁剪成12x24x0.5 mm大小的衬底，按下述方法在玻璃衬底上镀Ag: 把玻璃衬底分别在蒸馏水、酒精、丙酮溶液中超声清洗，除去表面的杂质、油 渍；把清洗好的衬底在常温下浸入到5-10 g/1的SnCl2和0.08 M的盐酸混合敏化 溶液中，浸泡0.5至8分钟；取出后，浸入到蒸馏水中，大约2至40秒；然后取出，再把玻璃衬底浸入到1-10 g/1的常温AgN03活化水溶液中，浸 泡1至10分钟;重复步骤b-d数次，直至玻璃衬底材料由光亮透明变为茶色，表明活化成功。 上述步骤的核心在于发生一个Si^+还原Ag+为Ag单质的氧化还原反应。镀 Ag的活性衬底扫描电镜照片见图1，可见其表面由10-20 nm的Ag颗粒组成。配制10 mM Zn(N03)2和30 mM DMAB混合溶液50 ml，置于90°C水浴中， 将镀Ag衬底浸入混合溶液中，反应30分钟即可生成针状的ZnO纳米线阵列， 参见附图2，其X射线衍射谱见附图2， (0002)衍射峰为最强峰，表明ZnO的 晶向倾向于垂直于衬底表面生长。扫描电镜照片见附图3，可见ZnO具有 针状的结构，平均直径为40nm，长度约为300nm。还可估算出ZnO纳米线阵列的沉积速度为约10nm/min。低浓度的Zn(N03)2有利于生成针状结构。5-10 mM的Zn(N03)2浓度是在 Ag衬底上制备针状ZnO纳米线阵列的最佳条件。实施例2镀Ag玻璃衬底的准备与例1相同。配制50 mM Zn(N03)2和10 mM DMAB混合溶液50 ml，置于90°C水浴中， 衬底浸入其中，反应30分钟，即可生成六角柱状ZnO纳米线阵列。扫描电镜照 片见附图4，可见纳米线的直径为80nm，长度约300nm。生成六角柱状ZnO纳米线阵列的条件是控制Zn(N03)2浓度在20-70 mM之 间。我们实验发现，大于80mM的Zn(NO3)2浓度，不利于得到纳米线阵列，而 会制备出片状或者多晶ZnO薄膜。实施例31500目砂纸抛光的Cu片(15x15x0.7 mm)浸入实施例1所述的溶液中， 90°C水浴中保温30分钟。扫描电镜照片见附图5，毛绒状的表面就是针状的 ZnO纳米线阵列，平均直径40nm，长度约为300nm。实施例4在(111) Si片(10x10 mm)表面采用磁控溅射法溅射一层50nm厚的Cu， 将此衬底浸入实施例1所述的溶液中，90。C水浴中保温30分钟。扫描电镜照片 见附图6，针状的ZnO纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
制备ＺｎＯ薄膜的方法，其特征是将铜的衬底表面进行抛光处理，然后将衬底浸入到总体积为５０ｍｌ的５～１２０ｍＭ的硝酸锌水溶液与１０～３０ｍＭ的二甲基胺硼烷水溶液中，保持溶液温度为６０～９０℃，充分反应后可在衬底上得到氧化锌薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李建功，田强，王谦，黄娟娟，张旭东，王花枝，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：62[中国|甘肃]