CN101974781A - 在常温常压下制备ZnO纳米棒阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在柔性衬底上，利用聚合物网眼限域的方法，在常温常压的容器中制备ZnO纳米棒阵列的方法。属光电材料技术领域。本发明主要是采用二水合醋酸锌或六水合硝酸锌和氢氧化钠的甲醇溶液，利用溶胶凝胶法制得ZnO种子前驱体，然后在柔性镀ITO的PET衬底上涂覆所述的ZnO前驱体，形成一层薄膜，然后再放入含有聚丙烯酰胺(聚合物网眼限域物质)的二水合醋酸锌(或六水合硝酸锌)和六亚甲基四胺的混合溶液中，从而使其在常温常压反应容器中生长出均匀的纳米棒阵列。
Description
技术领域
本发明涉及一种在柔性衬底上，利用聚合物网眼限域的方法，在常温常压的反应容器中制备ZnO纳米棒阵列的方法。属光电材料技术领域。
背景技术
ZnO是一种具有半导电和压电双重属性的半导体材料，由于其在微型激光器、光源、传感器、电力纳米发电机的压电元件等方面的应用，已成为一类非常重要的半导体材料。室温下纳米ZnO直接带隙为3.37 eV，具有较大的激子束缚能（60 meV），被认为是一种有着广阔应用前途的光电子器件材料。
目前，制备ZnO纳米棒阵列的方法有化学气相沉积法、电化学沉积法、水热法等。其中化学气相沉积法和电化学沉积法能耗高，反应设备昂贵，反应条件苛刻，操作复杂；水热法以水作溶剂，虽然具有便宜、环境友好，能耗低，反应条件易控制等优点，但需在高温高压的反应条件下才能实现，能耗较高，此外还受反应容器体积的限制。随着数字化的发展，消费者越来越需要高质量、便携的电子设备，柔性显示器将成为未来显示领域的主角。本发明利用聚合物网眼限域的方法，在常温常压的反应容器中，通过聚合物亚浓溶液的限域作用和ZnO晶体取向生长特性的双重作用，制备分布均匀、垂直柔性衬底生长的ZnO纳米棒阵列，具有反应温度和压力为常温、常压，价格低廉，操作更安全，环境友好，重复性好，不受反应容器体积限制，并能直接观察到阵列的生长过程的优点，此外本发明利用聚合物网眼限域的方法，在常温常压的反应容器中所制得的ZnO纳米棒阵列与采用水热法在高温高压的反应容器中所制得的ZnO纳米棒阵列的粒径及均匀性相当。
发明内容
本发明的目的在于利用聚合物网眼限域的方法，在常温常压的反应容器中于柔性镀铟锡金属氧化物（ITO）的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）衬底上生长ZnO纳米棒阵列的方法。
本发明一种在常温常压下制备ZnO纳米棒阵列的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：
a. 衬底的清洗：将镀有铟锡金属氧化物（ITO）的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）柔性衬底分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗一定时间后，烘干，待用；
b. ZnO前驱体溶胶的制备：将一定浓度的二水合醋酸锌或六水合硝酸锌的甲醇溶液在搅拌下加热至50~70 ℃，然后再将一定浓度氢氧化钠的甲醇溶液逐滴滴入上述溶液中，搅拌加热4~6 h，得到ZnO前驱体溶胶；二水合醋酸锌或六水合硝酸锌与氢氧化钠两者用量的摩尔比为1:（3~3.5）；
c. 滴涂ZnO前驱体薄膜：在上述经清洗好的镀有ITO的PET柔性衬底上滴涂ZnO前驱体溶胶，形成一层均匀的薄膜，自然晾干后，放入烘箱中热处理0.5 h；
d. 阵列的生长及后处理：在常温常压的反应容器中，将上述滴涂ZnO前驱体薄膜的衬底，使其上表面朝下倾斜地放入生长液中；生长液由二水合醋酸锌或六水合硝酸锌与六亚甲基四胺组成的混合水溶液，该两者用量的摩尔比为1:1；另外再加入质量分数为0.1 %的聚丙烯酰胺亚浓溶液，作为聚合物网眼限域物质加入，其加入的量为（1~3）×10-6 摩尔；在95 ℃下保温4~6 h后取出；然后用蒸馏水将衬底冲洗干净后烘干，即可在柔性镀ITO的PET衬底上得到均匀的、垂直衬底生长的ZnO纳米棒阵列。
本发明的优点和特点如下：本发明与现有技术相比具有以下优点：反应温度和压力为常温、常压，价格低廉，操作更安全，环境友好，重复性好，不受反应容器体积限制，并能直接观察到阵列的生长过程，并且本发明利用聚合物网眼限域的方法，在常温常压的反应容器中所得ZnO纳米棒阵列与采用水热法在高温高压的反应容器中所得ZnO纳米棒阵列的粒径及均匀性相当。
附图说明
图1为本发明的聚合物网眼限域法在常温常压反应容器中在柔性PET衬底上生长所得产物ZnO纳米棒阵列的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）照片图。
图2为现有技术的水热法在高温高压反应容器中生长所得产物的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）照片图。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1：本实施例中，制备的过程和步骤如下：
1）衬底的清洗：将镀有ITO的PET片材分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗10 min，烘干备用。
2）ZnO前驱体溶胶的制备：将0.04 M二水合醋酸锌的甲醇溶液60 mL在搅拌下加热至60 ℃，然后将0.12 M氢氧化钠的甲醇溶液45 mL逐滴滴入上述溶液中，搅拌加热2 h后得到ZnO前驱体溶胶。
3）滴涂ZnO前驱体薄膜：在镀有ITO的PET柔性衬底上滴涂上述ZnO前驱体溶胶，形成一层均匀的薄膜，自然晾干后，放入100 ℃烘箱中热处理0.5 h。
4）阵列的生长及后处理：在常温常压的反应容器中，将50 mM的二水合醋酸锌水溶液50 mL、50 mM的六亚甲基四胺水溶液50 mL和质量分数0.1 %聚丙烯酰胺水溶液10 mL搅拌均匀后，将处理后的衬底ITO面朝下倾斜放入上述体系中，95 ℃加热6 h后取出，用蒸馏水将衬底冲洗干净后烘干，即可在柔性镀ITO的PET衬底上得到均匀性较好、垂直衬底生长的ZnO纳米棒阵列。
本实施例制备的ZnO纳米棒阵列，平均粒径为~150 nm，产品均匀性较好。
对实施例1所得样品的检测
通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对实施例1进行形貌表征，结果表明ZnO纳米棒阵列在柔性镀ITO的PET衬底上分布较为均匀致密，直径在100～150 nm。
参见图1。图1为采用聚合物网眼限域法在常温常压的反应容器中制得的ZnO纳米棒阵列的扫描电子显微镜图，图2为采用水热法在高温高压的反应容器中制得的ZnO纳米棒阵列的扫描电子显微镜图。
从图1中可看出，两者的形貌几乎相同。平均粒径100～150 nm，产品均匀性均较好。
实施例2：本实施例中，制备的过程和步骤如下：
1）衬底的清洗：将镀有ITO的PET片材分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗10 min，烘干备用。
2）ZnO前驱体溶胶的制备：将0.03 M二水合醋酸锌的甲醇溶液50 mL在搅拌下加热至60 ℃，然后将0.10 M氢氧化钠的甲醇溶液45 mL逐滴滴入上述溶液中，搅拌加热1.5 h后得到ZnO前驱体溶胶。
3）滴涂ZnO前驱体薄膜：在镀有ITO的PET柔性衬底上滴涂上述ZnO前驱体溶胶，形成一层均匀的薄膜，自然晾干后，放入95 ℃烘箱中热处理0.5 h。
4）阵列的生长及后处理：在常温常压的反应容器中，将25 mM的二水合醋酸锌水溶液50 mL、25 mM的六亚甲基四胺水溶液50 mL和质量分数0.1 %聚丙烯酰胺水溶液8 mL搅拌均匀后，将处理后的衬底ITO面朝下倾斜放入上述体系中，95 ℃加热5 h后取出，用蒸馏水将衬底冲洗干净后烘干，即可在柔性镀ITO的PET衬底上得到均匀性较好、垂直衬底生长的ZnO纳米棒阵列。
本实施例制备的ZnO纳米棒阵列，平均粒径为~130 nm，产品均匀性较好。
实施例3：本实施例中，制备的过程和步骤如下：
1）衬底的清洗：将镀有ITO的PET片材分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗15 min，烘干备用。
2）ZnO前驱体溶胶的制备：将0.05 M二水合醋酸锌的甲醇溶液50 mL在搅拌下加热至70 ℃，然后将0.15 MNaOH的甲醇溶液16 mL逐滴滴入上述溶液中，搅拌加热1.5 h后得到ZnO前驱体溶胶。
3）滴涂ZnO前驱体薄膜：在镀有ITO的PET柔性衬底上滴涂上述ZnO前驱体溶胶，形成一层均匀的薄膜，自然晾干后，放入90 ℃烘箱中热处理0.5 h。
4）阵列的生长及后处理：在常温常压的反应容器中，将100 mM的二水合醋酸锌水溶液50 mL、100 mM的六亚甲基四胺水溶液50 mL和质量分数0.1 %聚丙烯酰胺水溶液12 mL搅拌均匀后，将处理后的衬底ITO面朝下倾斜放入上述体系中，95 ℃加热4 h后取出，用蒸馏水将衬底冲洗干净后烘干，即可在柔性镀ITO的PET衬底上得到均匀性较好、垂直衬底生长的ZnO纳米棒阵列。
本实施例制备的ZnO纳米棒阵列，平均粒径为~200 nm，产品均匀性较好。
Claims (1)
1.一种在常温常压下制备ZnO纳米棒阵列的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：
a. 衬底的清洗：将镀有铟锡金属氧化物（ITO）的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）柔性衬底分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗一定时间后，烘干，待用；
b. ZnO前驱体溶胶的制备：将一定浓度的二水合醋酸锌或六水合硝酸锌的甲醇溶液在搅拌下加热至50~70 ℃，然后再将一定浓度氢氧化钠的甲醇溶液逐滴滴入上述溶液中，搅拌加热4~6 h，得到ZnO前驱体溶胶；二水合醋酸锌或六水合硝酸锌与氢氧化钠两者用量的摩尔比为1:（3~3.5）；
c. 滴涂ZnO前驱体薄膜：在上述经清洗好的镀有ITO的PET柔性衬底上滴涂ZnO前驱体溶胶，形成一层均匀的薄膜，自然晾干后，放入烘箱中热处理0.5 h；
d. 阵列的生长及后处理：在常温常压的反应容器中，将上述滴涂ZnO前驱体薄膜的衬底，使其上表面朝下倾斜地放入生长液中；生长液由二水合醋酸锌或六水合硝酸锌与六亚甲基四胺组成的混合水溶液，该两者用量的摩尔比为1:1；另外再加入质量分数为0.1 %的聚丙烯酰胺亚浓溶液，作为聚合物网眼限域物质加入，其加入的量为（1~3）×10-6 摩尔；在95 ℃下保温4~6 h后取出；然后用蒸馏水将衬底冲洗干净后烘干，即可在柔性镀ITO的PET衬底上得到均匀的、垂直衬底生长的ZnO纳米棒阵列。
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