CN102320758A - 一种核壳结构ZnO纳米同质节阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核壳结构ZnO纳米同质节阵列的制备方法，该ZnO纳米同质节阵列在衬底上自下而上依次有ZnO薄膜，内层ZnO纳米棒阵列和外层ZnO包覆层，制备步骤：1）在衬底上沉积一层（002）取向的ZnO薄膜；2）将纯ZnO粉、纯石墨和掺杂源混合作为源材料，放入石英舟的密闭端一侧，将衬底置于石英舟的开口端一侧，石英舟放在水平管式炉反应室中，生长内层ZnO纳米棒阵列；3）将Zn(NO₃)·6H₂O和C₆H₁₂N₄配制成溶液倒入反应釜中，ZnO纳米棒阵列浸在溶液中，于95℃下生长核壳结构的外层包覆层。本发明方法设备简单，易于操作；ZnO纳米同质结阵列结晶质量好，尺寸均一，分布均匀；利用水热包覆，可直接在阵列上制作电极。

Description

一种核壳结构ZnO纳米同质节阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及ZnO纳米阵列的制备方法，尤其是涉及一种核壳结构ZnO纳米同质节阵列的制备方法。

背景技术

ZnO是一种典型的半导体光电材料，特别是一种理想的短波长发光器件材料。ZnO的纳米结构形态多样易于控制和制备，特别是一维纳米材料，如纳米棒、纳米线、纳米管等，以其优良的单晶性能吸引了许多专家学者争相研究。ZnO纳米光电器件的研究因此备受关注，但是基于ZnO纳米材料的同质结比较难以制备，并且存在阵列电极制备繁琐的问题。为制备ZnO基光电器件，如发光二极管、激光器、探测器等，人们需要生长各种类型的同质节，如同质p-n结、同质p-p结、同质n-n结等。相对于异质结而言，同质结具有晶格失配小、器件效率高等优点。目前ZnO纳米同质结阵列很少有报道，并且在后续制作电极时需要用绝缘物质填充陈列，再利用等离子体刻蚀技术处理后才能大面积的制作电极，即使这样也会使坏点出现的几率增加。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种便于后续处理的核壳结构ZnO纳米同质节阵列的制备方法。

本发明的核壳结构ZnO纳米同质节阵列包括衬底，在衬底上自下而上依次有ZnO薄膜，内层ZnO纳米棒阵列和外层ZnO包覆层，制备步骤如下：

1）在衬底上沉积一层（002）取向的ZnO薄膜；

2）将纯ZnO粉、纯石墨和掺杂源按质量比2:1:0.1～0.3混合作为源材料，放入一端开口的石英舟的密闭端一侧，将衬底置于石英舟的开口端一侧，石英舟放置在水平管式炉反应室中，石英舟开口端处于气流的下方向，反应室真空度抽至低于10Pa，源材料加热到850～950℃，向反应室通入Ar或N₂为载气，O₂为反应气体，载气与O₂的流量比为100:1.5～100:3.5，保温，生长内层ZnO纳米棒阵列；

3）将Zn(NO₃)·6H₂O 和C₆H₁₂N₄以物质的量比1:1的比例配制成浓度为0.025mol/L的溶液；将配好的溶液倒入反应釜中，把上述制得的ZnO纳米棒阵列浸在溶液中，置于电热恒温箱中在95℃的条件下保温12小时；生长核壳结构的外层包覆层，冷却至室温，取出产品。

上述的衬底为蓝宝石、石英、硅或氧化锌片。所述的掺杂源可以为氯化钠或焦磷酸钠。所述的ZnO粉和石墨的纯度均为分析纯。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1）ZnO纳米同质结阵列的生长采用水平管式炉和电热恒温干燥箱完成，生长设备简单，工艺简单，易于操作，可重复性好，可实现工业大规模生产；

2）用水平管式炉高温制备ZnO纳米棒阵列，较其它方法更有利于掺杂的实现；水热法同质外延生长第二层氧化锌单晶，由于其生长温度低的优点不会改变第一步得到的掺杂ZnO纳米棒阵列的性质；

3）ZnO纳米同质结阵列结晶质量好，尺寸均一，分布均匀，同质结高度一致，性能优异，有利于提高ZnO纳米器件的特性；

4）利用水热包覆的方法，可直接在阵列上制作电极，既简化了制作工艺降低了生产成本，又提高了电极与阵列间成功接触的几率。

附图说明

图1是本发明所用的水平管式炉设备示意图。图中，1为气体通入口；2为气体排出口；3为原材料；4为石英舟；5为衬底；6为水平管式炉。

图2是核壳结构ZnO纳米同质节阵列的结构示意图。图中，7为ZnO薄膜；8为内层ZnO纳米棒阵列；9为水热法生长的外层ZnO包覆层。

图3是扫描电镜（SEM）图，其中（a）是内层ZnO纳米棒阵列的扫描电镜（SEM）图；（b）图是核壳结构ZnO纳米同质节阵列的扫描电镜（SEM）图。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

1）以单晶硅片为衬底，由磁控溅射方法预先在衬底上沉积一层厚度为300nm的（002）取向ZnO薄膜；

2）将纯度均为分析纯的ZnO粉、石墨和焦磷酸钠按质量比2:1:0.2混合作为源材料，放入一端开口的石英舟的密闭端一侧，将衬底置于石英舟的开口端一侧，石英舟放置在水平管式炉反应室中，石英舟开口端处于气流的下方向，反应室真空度抽至5Pa，源材料加热到950℃，向反应室通入N₂为载气，O₂为反应气体，N₂与O₂的流量比为100:2，保温30分钟，生长内层ZnO纳米棒阵列p型层；

3）将Zn(NO₃)·6H₂O 和C₆H₁₂N₄以物质的量比1:1的比例配制成浓度为0.025mol/L的溶液；取50ml倒入反应釜内胆，将上述生长的内层ZnO纳米棒阵列浸入溶液中；放入95℃的恒温干燥箱中，保温12小时；冷却至室温，取出产品。利用上述方法所得的产品为核壳结构ZnO纳米同质p-n结阵列，其SEM图如图3所示。由图可见，制得的ZnO纳米同质p-n结阵列尺寸均一，分布均匀，同质结高度一致，性能优异，有利于提高ZnO纳米器件的特性。

实施例2：

1）以单晶硅片为衬底，由磁控溅射方法预先在衬底上沉积一层厚度为300nm的（002）取向ZnO薄膜；

2）将纯度均为分析纯的ZnO粉、石墨和氯化钠按质量比2:1:0.1混合作为源材料，放入一端开口的石英舟的密闭端一侧，将衬底置于石英舟的开口端一侧，石英舟放置在水平管式炉反应室中，石英舟开口端处于气流的下方向，反应室真空度抽至5Pa，源材料加热到850℃，向反应室通入N₂为载气，O₂为反应气体，N₂与O₂的流量比为100:2，保温30分钟，生长内层ZnO纳米棒阵列p型层；

3）将Zn(NO₃)·6H₂O 和C₆H₁₂N₄以物质的量比1:1的比例配制成浓度为0.025mol/L的溶液；取50ml倒入反应釜内胆，将上述生长的内层ZnO纳米棒阵列浸入溶液中；放入95℃的恒温干燥箱中，保温12小时；冷却至室温，取出产品。

Claims (3)

1.一种核壳结构ZnO纳米同质节阵列的制备方法，其特征在于该核壳结构ZnO纳米同质节阵列包括衬底，在衬底上自下而上依次有ZnO薄膜，内层ZnO纳米棒阵列和外层ZnO包覆层，制备步骤如下：

1）在衬底上沉积一层（002）取向的ZnO薄膜；

2）将纯ZnO粉、纯石墨和掺杂源按质量比2:1:0.1～0.3混合作为源材料，放入一端开口的石英舟的密闭端一侧，将衬底置于石英舟的开口端一侧，石英舟放置在水平管式炉反应室中，石英舟开口端处于气流的下方向，反应室真空度抽至低于10Pa，源材料加热到850～950℃，向反应室通入Ar或N₂为载气，O₂为反应气体，载气与O₂的流量比为100:1.5～100:3.5，保温，生长内层ZnO纳米棒阵列；

3）将Zn(NO₃)·6H₂O 和C₆H₁₂N₄以物质的量比1:1的比例配制成浓度为0.025mol/L的溶液；将配好的溶液倒入反应釜中，把上述制得的ZnO纳米棒阵列浸在溶液中，置于电热恒温箱中在95℃的条件下保温12小时；生长核壳结构的外层包覆层，冷却至室温，取出产品。

2.按权利要求1所述的核壳结构ZnO纳米同质节阵列的制备方法，其特征在于掺杂源为氯化钠或焦磷酸钠。

3.按权利要求1所述的核壳结构ZnO纳米同质节阵列的制备方法，其特征在于所述的衬底为蓝宝石、石英、硅或氧化锌片。

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