CN102583227B - 一种ZnO三维同质pn结纳米阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及ZnO三维同质pn结纳米阵列及其制备方法，该阵列的主干为垂直于衬底的一维p型ZnO纳米线，分支为径向分布的n型ZnO纳米棒。制备方法包括利用气相法在衬底上制备一维直立的ZnO纳米线阵列，通过扩散法把上述阵列转变为一维p型ZnO纳米线阵列，最后通过水热法在p型ZnO纳米阵列上生长径向分布的n型ZnO纳米棒。本发明方法简单易行，重复性高，可通过控制气相反应生长温度和液相溶液浓度来分别调节三维ZnO纳米同质pn结阵列主干和分支的长度和密度，可广泛应用于纳米光电、光催化和能量转换器件等领域。

Description

一种ZnO三维同质pn结纳米阵列及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种ZnO三维同质pn结纳米阵列及其制备方法，特别涉及通过垂直的一维ZnO纳米棒阵列采用扩散法形成p型ZnO纳米阵列作为三维结构的主干，然后用水热法在主干上形成树枝状径向分布的n型ZnO纳米结构的同质结器件，属于半导体器件技术领域。

背景技术

ZnO作为一种典型的宽禁带半导体材料，室温下具有高达60 meV的激子束缚能，在室温下易实现高效率的发光，因此近年来成为发光二极管和紫外激光器等的热门材料，具有很好的应用潜力。同时ZnO纳米材料作为最优异的半导体纳米材料之一，在光学、电输运、压电、光电、场发射、光催化、稀磁等性能上具有显著特点，因此在纳米电子器件上的应用也成为全世界的研究重点。

要解决ZnO在光电方面的应用，首先需要制备各种类型的同质或者异质结。相比异质结，ZnO同质结具有晶格失配小、器件效率更高等优点。目前报道的ZnO纳米结构丰富多彩，主要集中在一维垂直阵列的研究方面，而三维ZnO纳米材料由于其具有更大的比表面积，近年来得到越来越多的关注。关于ZnO三维同质pn结纳米阵列目前还未有报道，因此本发明具有很高的研究价值和科学意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种ZnO三维同质pn结纳米阵列及其制备方法。

本发明的ZnO三维同质pn结纳米阵列，其主干为垂直于衬底的一维p型ZnO纳米线，分支为径向分布的n型ZnO纳米棒。

ZnO三维同质pn结纳米阵列的制备方法，包括以下步骤：

1）将纯ZnO粉末和纯石墨粉按质量比2:1放入石英U型管中，将长有ZnO籽晶层的衬底放入U型管口一侧，生长室真空度至少抽至10 Pa，衬底加热升温到900~950℃，生长室通入纯氮气和纯氧气，氮气流量为90~99 sccm，氧气流量为1~10 sccm，控制压强为1000~1300 Pa，生长一维直立的ZnO纳米线阵列。

2）将上述长有一维直立的ZnO纳米线阵列的衬底放入石英舟内，覆盖在p型扩散源上，将石英舟放入生长室，升温至600~800℃，真空抽至10 pa，通入纯氧气，流量为100 sccm，控制压强为2000~5000 Pa，保温2~3小时，形成垂直于衬底的一维p型ZnO纳米线阵列。

3）将浓度为0.5~1 mg/ml的ZnO纳米晶氯仿溶液滴在上述一维p型ZnO纳米线阵列上，升温至200~300℃保持10~50分钟，然后将衬底面朝下放置在浓度均为0.01~0.025 mol/L的六亚甲基四氨和二水硝酸锌混合溶液的聚四氟乙烯内胆内，加热到80~100℃保温5~20小时，得到主干为一维p型ZnO纳米线，分支为径向分布的n型ZnO纳米棒的ZnO三维同质pn结纳米阵列。

上述的衬底可以是单晶硅片，蓝宝石或者石英。所述的p型扩散源可以是GaAs或P₂O₅。

本发明中ZnO，石墨，氮气，氧气的纯度均大于99.99%。

本发明的有益效果在于：

1.设备简单，原料便宜，无需用到高真空的昂贵设备；

2.通过调整步骤1）的气相生长温度和步骤3）液相法的溶液浓度可以改变ZnO三维同质pn结垂直纳米阵列主干和分支的尺寸和密度；

3.该种ZnO三维同质pn结纳米阵列可广泛应用于纳米光电、光催化和能量转换器件等领域。

附图说明

图1是本发明的三维ZnO同质pn结纳米阵列的扫描电镜俯视图。

图2是本发明的三维ZnO同质pn结纳米阵列的扫描电镜断面图。

图3是本发明的主干较为稀疏、分支较短的三维ZnO同质pn结纳米阵列的扫描电镜俯视图。

具体实施方式

以下结合图例，通过实例对本发明制备ZnO三维同质pn结垂直纳米阵列作进一步的说明。

实施例1：以单晶硅片为衬底制备ZnO三维同质pn结纳米阵列，具体步骤如下： 

1）将纯度为99.999%ZnO粉末和纯度为99.999%石墨粉按质量比2:1放入石英U型管中，将长有ZnO籽晶层的衬底放入U型管口一侧，生长室真空度至少抽至10 Pa，衬底加热升温到950℃，生长室通入纯氮气(纯度 >99.99％)和纯氧气(纯度 >99.99％)，氮气流量为99 sccm，氧气流量为1 sccm，控制压强为1300 Pa，生长时间为30 min，形成一维直立的ZnO纳米线阵列。

2）将上述长有一维直立的ZnO纳米线阵列的衬底放入石英舟内，覆盖在GaAs扩散源上，将石英舟放入生长室，升温至600℃，真空抽至10 pa，通入纯氧气，流量为100 sccm，控制压强为5000 Pa，保温2小时，形成垂直于衬底的一维p型ZnO纳米线阵列。

3）将浓度为1 mg/ml的ZnO纳米晶氯仿溶液滴在上述一维p型ZnO纳米线阵列上，升温至250℃保持30分钟，然后将衬底面朝下放置在浓度均为0.025 mol/L的六亚甲基四氨和二水硝酸锌混合溶液的聚四氟乙烯内胆内，加热到95℃保温12小时，得到主干为一维p型ZnO纳米线，分支为径向分布的n型ZnO纳米棒的ZnO三维同质pn结纳米阵列，如图1和图2所示。

实施例2：以石英为衬底制备ZnO三维同质pn结纳米阵列，具体步骤如下： 

1）将纯度为99.999%的ZnO粉末和纯度为99.999%的石墨粉按质量比2:1放入石英U型管中，将长有ZnO籽晶层的衬底放入U型管口一侧，生长室真空度至少抽至10 Pa，衬底加热升温到900℃，生长室通入纯氮气和纯氧气，氮气流量为99 sccm，氧气流量为1 sccm，控制压强为1200 Pa，生长时间为30 min，形成一维直立的ZnO纳米线阵列。

2）将上述长有一维直立的ZnO纳米线阵列的衬底放入石英舟内，覆盖在GaAs扩散源上，将石英舟放入生长室，升温至600℃，真空抽至10 pa，通入纯氧气，流量为100 sccm，控制压强为3000 Pa，保温2小时，形成垂直于衬底的一维p型ZnO纳米线阵列。

3）将浓度为1 mg/ml的ZnO纳米晶氯仿溶液滴在上述一维p型ZnO纳米线阵列上，升温至250℃保持30分钟，然后将衬底面朝下放置在浓度均为0.01 mol/L的六亚甲基四氨和二水硝酸锌混合溶液的聚四氟乙烯内胆内，加热到90℃保温20小时，得到主干较为稀疏，分支较短的ZnO三维同质pn结纳米阵列，如图3所示。

实施例3：以蓝宝石为衬底制备ZnO三维同质pn结纳米阵列，具体步骤如下： 

1）将纯度为99.999%的ZnO粉末和纯度为99.999%的石墨粉按质量比2:1放入石英U型管中，将长有ZnO籽晶层的衬底放入U型管口一侧，生长室真空度至少抽至10 Pa，衬底加热升温到950℃，生长室通入纯氮气和纯氧气，氮气流量为90 sccm，氧气流量为10 sccm，控制压强为1000 Pa，生长时间为30 min，形成一维直立的ZnO纳米线阵列。

2）将上述长有一维直立的ZnO纳米线阵列的衬底放入石英舟内，覆盖在P₂O₅扩散源上，将石英舟放入生长室，升温至800℃，真空抽至10 pa，通入纯氧气，流量为100 sccm，控制压强为2000 Pa，保温3小时，形成垂直于衬底的一维p型ZnO纳米线阵列。

3）将浓度为1 mg/ml的ZnO纳米晶氯仿溶液滴在上述一维p型ZnO纳米线阵列上，升温至200℃保持50分钟，然后将衬底面朝下放置在浓度均为0.025 mol/L的六亚甲基四氨和二水硝酸锌混合溶液的聚四氟乙烯内胆内，加热到95℃保温12小时，得到主干为一维p型ZnO纳米线，分支为径向分布的n型ZnO纳米棒的ZnO三维同质pn结纳米阵列。

Claims (3)

1. 一种ZnO三维同质pn结纳米阵列的制备方法，该ZnO三维同质pn结纳米阵列的主干为垂直于衬底的一维p型ZnO纳米线，分支为径向分布的n型ZnO纳米棒，其制备包括以下步骤：

1）将纯ZnO粉末和纯石墨粉按质量比2:1放入石英U型管中，将长有ZnO籽晶层的衬底放入U型管口一侧，生长室真空度至少抽至10 Pa，衬底加热升温到900~950℃，生长室通入纯氮气和纯氧气，氮气流量为90~99 sccm，氧气流量为1~10 sccm，控制压强为1000~1300 Pa，生长一维直立的ZnO纳米线阵列;

2）将上述长有一维直立的ZnO纳米线阵列的衬底放入石英舟内，覆盖在p型扩散源上，将石英舟放入生长室，升温至600~800℃，真空抽至10 pa，通入纯氧气，流量为100 sccm，控制压强为2000~5000 Pa，保温2~3小时，形成垂直于衬底的一维p型ZnO纳米线阵列;

3）将浓度为0.5~1 mg/ml的ZnO纳米晶氯仿溶液滴在上述一维p型ZnO纳米线阵列上，升温至200~300℃保持10~50分钟，然后将衬底面朝下放置在浓度均为0.01~0.025 mol/L的六亚甲基四氨和二水硝酸锌混合溶液的聚四氟乙烯内胆内，加热到80~100℃保温5~20小时，得到主干为一维p型ZnO纳米线，分支为径向分布的n型ZnO纳米棒的ZnO三维同质pn结纳米阵列。

2.按权利要求1所述的ZnO三维同质pn结纳米阵列的制备方法，其特征在于所述的衬底是单晶硅片，蓝宝石或者石英。

3.按权利要求1所述的ZnO三维同质pn结纳米阵列的制备方法，其特征在于所述的p型扩散源是GaAs或P₂O₅。