CN102092774B - 一种氧化锌纳米线阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氧化锌纳米线阵列的制备方法，属于材料技术领域。本发明首先采用薄膜沉积工艺在衬底表面沉积一层表面晶粒半径可控的金属薄膜；然后将金属薄膜采用面向下的方式浮于由等摩尔量的硝酸锌溶和六次甲基四胺配制的生长溶液表面，在60～90℃的温度条件下静置生长氧化锌纳米线阵列。通过控制金属薄膜表面晶粒的大小，可方便地获得不同生长密度的氧化锌纳米线阵列。与常规水热法利用生长溶液浓度控制氧化锌纳米线阵列生长密度的方法相比，本发明更易于实现氧化锌纳米线阵列生长密度的控制，且无需增加额外的步骤或成本就可以实现低温大面积对密度精度要求较高的氧化锌纳米线阵列的制备。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及氧化锌纳米线的制备方法。
背景技术
氧化锌纳米材料是一种典型的直接带隙宽禁带半导体材料，室温下的带隙宽度为3.37ev，激子结合能高达60mev，具有从蓝光到紫外波段的发光性能。制作发光器件可以获得更高的光增益，其在发光二极管，纳米激光器等方面有较大的应用潜力。
目前已有的制备氧化锌纳米线的方法包括物理蒸发法，激光沉积法，化学气象传输法，水热法等。水热法作为一种化学方法在制备氧化锌纳米线的过程中具有低温，易合成等优势。
氧化锌纳米线阵列密度可以通过改变溶液的浓度来控制(参见Sheng Xu，Changshi Laoet al，J.Mater.Res.，Vol.23，No.8，Aug 2008)。如图1所示，这种方法可以通过绘制的经验曲线来控制氧化锌纳米线的密度，但这种方法主要存在两个问题，一是氧化锌纳米线阵列的生长对溶液浓度很敏感，当溶液浓度稍有变换就会导致氧化锌纳米线阵列生长密度很大的变换，这样很难保证氧化锌纳米线阵列生长的可重复性；二是氧化锌纳米阵列的生长密度与溶液浓度不存在函数关系，当工业应用对氧化锌纳米线阵列密度有要求时需要大量实验寻找适合的溶液浓度的数值。因此有必要寻找能够控制氧化锌纳米线阵列生长密度的制备方法，以满足应用需求。
发明内容
本发明提供一种氧化锌纳米线阵列的制备方法，该方法能够在氧化锌纳米线阵列制备过程中控制氧化锌纳米线阵列的生长密度，从而可以根据应用需要制备出不同生长密度的氧化锌纳米线阵列。
本发明技术方案如下：
一种氧化锌纳米线阵列的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：在衬底表面沉积一层金属薄膜。沉积金属薄膜时，通过控制薄膜沉积工艺的工艺条件控制金属薄膜表面晶粒半径的大小。
步骤2：配制生长溶液。将等摩尔量的硝酸锌溶和六次甲基四胺溶于水中，控制溶液浓度在0.01～0.05mol·L-1之间。
步骤3：控制生长溶液温度在60～90℃之间，并将步骤1所得金属薄膜采用面向下的方式浮于步骤2所配制的生长溶液表面，静置2个小时以上，在金属薄膜表面生长出氧化锌纳米线阵列。
步骤4：将表面生长了氧化锌纳米线阵列的金属膜取出，用去离子水清洗后在室温下自然干燥。
上述技术方案中，步骤1在衬底表面沉积的金属薄膜所采用的金属材料为常温下难以氧化的金属，以防止金属氧化可能给氧化锌纳米线阵列带来的损害；沉积金属薄膜时所采用的薄膜沉积工艺应便于控制金属薄膜表面晶粒半径大小的工艺，如：磁控溅射、真空蒸发等。
本发明采用水热法在金属薄膜表面生长氧化锌纳米线阵列。在金属薄膜制备过程中，通过控制金属薄膜沉积工艺进而控制金属薄膜表面晶粒半径大小；然后在采用水热法于金属薄膜表面生长氧化锌纳米线阵列过程中，由于金属薄膜表面晶粒半径大小的不同使得氧化锌纳米线阵列生长初期的成核密度不一样(可以认为，氧化锌纳米线成核点位于金属表面晶粒之间的晶界处)，最终在不同金属晶粒半径的金属薄膜表面制备出不同生长密度的氧化锌纳米线阵列。进一步推导可以得出氧化锌纳米线的生长密度与金属薄膜表面晶粒半径的倒数相关。也就是氧化锌纳米线阵列与金属薄膜表面晶粒尺寸间的关系可以写成如下式子：D＝αR-1，式子中D是氧化锌纳米线阵列的生长密度，R是金属薄膜表面晶粒半径，α是一个常数，对应了不同的水热条件的溶液浓度。这个式子的意义在于，在相同的水热条件下，改变金属薄膜表面晶粒的半径就可以的到不同生长密度的氧化锌纳米线阵列。并且当某种水热条件的溶液浓度对应的α确定的情况下，如果需要生长某一特定密度的氧化锌纳米线阵列，可以通过上面的关系式计算出需要对应的晶粒半径，只需制备具有那种晶粒半径的金薄膜就可以满足需求。
本发明的有益效果是：
本发明采用常规水热合成法在金属薄膜表面制备出氧化锌纳米线阵列，通过控制金属薄膜表面晶粒的大小，可方便地获得不同生长密度的氧化锌纳米线阵列。与常规水热法利用生长溶液浓度控制氧化锌纳米线阵列生长密度的方法相比，本发明更易于实现氧化锌纳米线阵列生长密度的控制，且无需增加额外的步骤或成本就可以实现低温大面积对密度精度要求较高的氧化锌纳米线阵列的制备。
附图说明
图1是现有文献中采用生长溶液浓度控制氧化锌纳米线生长密度的原理示意图。
图2是本发明流程示意图。
图3是本发明实施例中利用磁控溅射制备的四种不同表面晶粒大小金膜的原子力显微镜照片。
图4是本发明实施例中四种不同表面晶粒大小金膜表面生长的氧化锌纳米线阵列的扫描电子显微镜照片。
图5是本发明制备氧化锌纳米线阵列中，三种不同生长溶液浓度下氧化锌纳米线生长密度与金膜表面晶粒尺寸的函数关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
利用磁控溅射工艺在硅衬底上沉积四种不同表面晶粒的金膜，溅射工艺条件为：氩气氛1pa，功率32W，溅射时间分别为5分钟、10分钟、15分钟和20分钟，所得四种不同表面晶粒的金膜的原子力显微镜照片如图3(a)、(b)、(c)、(d)所示。将四种金膜采用面向下的方式浮于所配制的生长溶液中生长，生长溶液为等摩尔量的硝酸锌和六次甲基四胺所配制，其浓度为0.05mol·L-1，控制生长溶液温度为75度，生长时间为24小时。生长出的氧化锌纳米线阵列如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示。在此种条件下生长出的氧化锌纳米线阵列的生长密度与晶粒半径关系如图5(a)所示。
实施例2
利用磁控溅射工艺在硅衬底上沉积四种不同表面晶粒的金膜，溅射工艺条件为：氩气氛1pa，功率32W，溅射时间分别为5分钟、10分钟、15分钟和20分钟，所得四种不同表面晶粒的金膜的原子力显微镜照片如图3(a)、(b)、(c)、(d)所示。将四种金膜采用面向下的方式浮于所配制的生长溶液中生长，生长溶液为等摩尔量的硝酸锌和六次甲基四胺所配制，其浓度为0.02mol·L-1，控制生长溶液温度为75度，生长时间为24小时。在此种条件下生长出的氧化锌纳米线阵列的生长密度与晶粒半径关系如图5(b)所示。
实施例3
利用磁控溅射工艺在硅衬底上沉积四种不同表面晶粒的金膜，溅射工艺条件为：氩气氛1pa，功率32W，溅射时间分别为5分钟、10分钟、15分钟和20分钟，所得四种不同表面晶粒的金膜的原子力显微镜照片如图3(a)、(b)、(c)、(d)所示。将四种金膜采用面向下的方式浮于所配制的生长溶液中生长，生长溶液为等摩尔量的硝酸锌和六次甲基四胺所配制，其浓度为0.01mol·L-1，控制生长溶液温度为75度，生长时间为24小时。在此种条件下生长出的氧化锌纳米线阵列的生长密度与晶粒半径关系如图5(c)所示。
由图5可以看出，氧化锌纳米线阵列的生长密度与金膜表面晶粒半径具有较好的线性关系，且氧化锌纳米线阵列的生长密度对金膜表面晶粒半径不太敏感，通过控制金膜表面晶粒半径可对氧化锌纳米线阵列的生长密度进行更好的控制。
Claims (4)
1.一种氧化锌纳米线阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底表面沉积一层金属薄膜；沉积金属薄膜时，通过控制薄膜沉积工艺的工艺条件控制金属薄膜表面晶粒半径的大小；
步骤2：配制生长溶液；将等摩尔量的硝酸锌和六次甲基四胺溶于水中，控制溶液浓度在0.01～0.05mol·L-1之间；
步骤3：控制生长溶液温度在60～90℃之间，并将步骤1所得金属薄膜采用面向下的方式浮于步骤2所配制的生长溶液表面，静置2个小时以上，在金属薄膜表面生长出氧化锌纳米线阵列；
步骤4：将表面生长了氧化锌纳米线阵列的金属薄膜取出，用去离子水清洗后在室温下自然干燥。
2.根据权利要求1所述的氧化锌纳米线阵列的制备方法，其特征在于，步骤1在衬底表面沉积的金属薄膜所采用的金属材料为常温下难以氧化的金属，以防止金属氧化可能给氧化锌纳米线阵列带来的损害。
3.根据权利要求1所述的氧化锌纳米线阵列的制备方法，其特征在于，步骤1沉积金属薄膜时所采用的薄膜沉积工艺应便于控制金属薄膜表面晶粒半径大小的工艺。
4.根据权利要求3所述的氧化锌纳米线阵列的制备方法，其特征在于，步骤1沉积金属薄膜时所采用的薄膜沉积工艺为磁控溅射或真空蒸发。
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