CN102664129A - ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法 - Google Patents

ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102664129A
CN102664129A CN201210141384XA CN201210141384A CN102664129A CN 102664129 A CN102664129 A CN 102664129A CN 201210141384X A CN201210141384X A CN 201210141384XA CN 201210141384 A CN201210141384 A CN 201210141384A CN 102664129 A CN102664129 A CN 102664129A
Authority
CN
China
Prior art keywords
zno
source material
zns
preparation
catalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201210141384XA
Other languages
English (en)
Inventor
张喜田
陈美陆
温静
武立立
牟洪臣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Normal University
Original Assignee
Harbin Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Normal University filed Critical Harbin Normal University
Priority to CN201210141384XA priority Critical patent/CN102664129A/zh
Publication of CN102664129A publication Critical patent/CN102664129A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，涉及一种ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法。是要解决现有特殊形貌结构的纳米材料的开启电场和阈值电场较高，导致场发射性能不理想的问题。方法：一、对单晶硅片进行清洗，然后在单晶硅片上溅射纳米金膜，作为硅衬底；二、将氧化锌粉末和硫化锌粉末混合作为源材料，锗粉作为催化剂，将源材料置于耐高温容器，并置于高温反应炉，将催化剂与硅衬底置于源材料下游；三、将高温反应炉密封，抽真空，通入惰性气体，加热，恒温，自然冷却至室温，停止通入惰性气体，取出硅衬底，获得黄白色粉末，即为纳米锥阵列。本发明纳米锥阵列具有极低的开启电场和极低的阈值电场。用于纳米材料领域。

Description

ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法
技术领域
本发明涉及一种ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法。
背景技术
近年来，随着科技的发展，人们对真空微波放大器，平板显示器和X-射线源等高科技设备的需求日益增长，为了提高这些设备的商业应用价值，纳米材料的场发射性能的研究便引起了众多科学研究者的极大关注。但是，如何提高有限的场发射性能仍然是一个挑战性的问题。一般来说，优化几何因素，构造新颖结构的纳米材料阵列，可以优化材料的场发射性能；另一方面，场增强因子β是一个非常重要的衡量场发射性能的特征参数，它涉及到材料的结构、形状、大小、结晶质量、比表面积。因此，设计、合成特定形貌和结构的纳米材料将会有望得到更加优异的场发射性能。到目前为止，已有许多报导证明了特殊形貌结构的纳米材料具有卓越的场发射性能，如分级的单晶β-SiC结构，ZnS四足树枝状异质结构，Al4C3包裹的碳纳米线，六角对称的分级ZnO等等。但他们存在开启电场和阈值电场较高，导致场发射性能不理想的问题。因此，有目的性的设计、制备超优异性能的纳米材料，将满足生物工程、纳米器件、环境科学等前沿领域的发展要求，是目前纳米材料领域的研究热点，具有重要科学意义。
发明内容
本发明是要解决现有特殊形貌结构的纳米材料的开启电场和阈值电场较高，导致场发射性能不理想的问题，提供ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法。
本发明ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，按以下步骤进行：一、对单晶硅片进行清洗，然后在单晶硅片上溅射纳米金膜，作为硅衬底；二、将氧化锌粉末和硫化锌粉末按质量比为1～25∶1混合，作为源材料，锗粉作为催化剂，将源材料、催化剂和硅衬底都放置在耐高温容器中，其中源材料置于耐高温容器的一端，并将此端置于高温反应炉的中心位置，将催化剂置于源材料下游，与源材料之间的距离为0.06～0.08m，将硅衬底置于源材料下游，与源材料之间的距离为0.10～0.20m；三、将高温反应炉密封，抽真空，当高温反应炉内真空度低于10Pa时，通入惰性气体，气体流速为30～180sccm，高温反应炉压强达到102～103Pa时，加热高温反应炉至温度为1100～1380℃，并在此温度下恒温15～40分钟，然后使高温反应炉自然冷却至室温，停止通入惰性气体，打开高温反应炉，取出硅衬底，获得黄白色粉末，即为ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列；其中步骤二中催化剂与源材料的质量比1∶10.4～50。
本发明所制备的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列，经过扫描电子显微镜和透射电子显微镜鉴定，形貌特征为：(1)纳米锥阵列垂直地外延生长在纳米薄片两侧，形貌新颖独特，比表面积大；(2)ZnO/ZnS薄片厚度为100～300nm，面积约为8～10μm2；(3)纳米锥长度为600～800nm，锥底部直径为80-120nm，尖端直径为15-20nm；(4)纳米锥为ZnO/ZnS异质结构，异质结界面平行于纳米锥生长方向；(5)异质结界面晶格匹配，无缺陷。
本发明制备的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列具有极低的开启电场0.02V/μm和极低的阈值电场0.6V/μm，且在0.76V/μm的电场下其场发射电流密度高达1.92mA/cm2，通过Fowler-Nordheim(FN)理论公式计算出其增强因子约高达5.6×104。这种超乎寻常的优越场发射性能源于其独特的异质结构特征及形貌特征，也使其在未来的平板显示器和高亮度电子源的应用方面显现出极大的潜力。
附图说明
图1为对比实验无锗粉作为催化剂制备的样品的扫描电子显微镜(SEM)照片；图2为具体实施方式十一制备的样品的SEM照片；图3为具体实施方式十一制备的样品的单片俯视SEM照片；图4为具体实施方式十一制备的样品的单片截面SEM照片；图5为具体实施方式十一制备的样品的XRD图像；图6为具体实施方式十一制备的样品的透射电子显微镜(HRTEM)照片；图7为图6方框部分的放大图；图8为具体实施方式十一制备的样品的J-E曲线关系图；图9为具体实施方式十一制备的样品的F-N曲线图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，按以下步骤进行：一、对单晶硅片进行清洗，然后在单晶硅片上溅射纳米金膜，作为硅衬底；二、将氧化锌粉末和硫化锌粉末按质量比为1～25∶1混合，作为源材料，锗粉作为催化剂，将源材料、催化剂和硅衬底都放置在耐高温容器中，其中源材料置于耐高温容器的一端，并将此端置于高温反应炉的中心位置，将催化剂置于源材料下游，与源材料之间的距离为0.06～0.08m，将硅衬底置于源材料下游，与源材料之间的距离为0.10～0.20m；三、将高温反应炉密封，抽真空，当高温反应炉内真空度低于10Pa时，通入惰性气体，气体流速为30～180sccm，高温反应炉压强达到102～103Pa时，加热高温反应炉至温度为1100～1380℃，并在此温度下恒温15～40分钟，然后使高温反应炉自然冷却至室温，停止通入惰性气体，打开高温反应炉，取出硅衬底，获得黄白色粉末，即为ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列；其中步骤二中催化剂与源材料的质量比1∶10.4～50。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述单晶硅片是n型或p型。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中对单晶硅片进行清洗的过程为：先用丙酮超声清洗15min，然后用无水乙醇超声清洗15min，最后用去离子水超声清洗15min。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中氧化锌粉末和硫化锌粉末的纯度均为99.5％以上。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二所述耐高温容器为能够耐受1700℃以上高温的容器。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中将氧化锌粉末和硫化锌粉末按质量比为1～2.5∶1混合。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中催化剂与源材料的质量比1∶35。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中锗粉的纯度为99.5％以上。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中将催化剂置于源材料下游，与源材料之间的距离为0.06m。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中惰性气体为氩气或氮气。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，按以下步骤进行：一、选用纯度在99.9％以上的n型单晶硅片，对单晶硅片进行清洗，清洗过程为先用丙酮超声清洗15min，然后用无水乙醇超声清洗15min，最后用去离子水超声清洗15min；然后在单晶硅片上溅射纳米金膜，作为硅衬底；二、将0.5g氧化锌粉末和0.2g硫化锌粉末混合，作为源材料，0.02g锗粉作为催化剂，将源材料、催化剂和硅衬底都放置在长度约为40cm的刚玉舟中，其中源材料置于刚玉舟的一端，并将此端置于高温管式炉的中心位置，将催化剂置于源材料下游，与源材料之间的距离为0.06m，将硅衬底置于源材料下游，与源材料之间的距离为0.16m；三、将高温管式炉密封，抽真空，当高温管式炉内真空度达到5×100Pa时，通入氮气，气体流速为100sccm，高温管式炉压强达到1×103Pa时，加热高温管式炉至温度为1350℃，并在此温度下恒温35分钟，然后使高温管式炉自然冷却至室温，停止通入惰性气体，打开高温管式炉，取出硅衬底，获得黄白色粉末，即为ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列。
本实施方式步骤二中氧化锌粉末的纯度为99.9％，硫化锌粉末的纯度为99.9％，催化剂锗粉的纯度为99.5％。
本实施方式所用高温管式炉内刚玉管长度约为120cm，内直径约为4cm，外直径约为5cm。
并进行对比实验验证本实施方式的效果。对比实验不加入催化剂锗粉，其他步骤与本实施方式相同，制得的样品的SEM照片如图1所示。
对本实施方式制备的样品进行电镜观察及XRD鉴定，样品的SEM照片如图2所示，样品的单片俯视SEM照片如图3所示，样品的单片截面SEM照片如图4所示，由图2-4可以看出，与对比实验相比本实施方式所得样品为ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列，片状结构较均一，外延结构为取向良好的纳米锥阵列。样品的XRD图像如图5所示，图5中○表示ZnO，□表示ZnS。样品的HRTEM照片如图6所示，图7为图6方框部分的放大图，可知纳米锥为ZnO/ZnS异质结构，异质结构界面平行于纳米锥生长方向；异质结构界面晶格匹配，无缺陷。
对本实施方式制备的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列进行了场发射性能测试。测试所用装置为冷阴极场发射测试与封装系统——FED，高压电源为Keithley 237。测量过程中，一片涂有ITO薄膜的导电玻璃作为阳极，ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列作为阴极，阴极与阳极之间距离为200μm。准备工作做好后，样品在真空室进行测量，真空度约为2.0×10-4Pa。经鉴定该样品具有极低的开启电场0.02V/μm和极低的阈值电场0.6V/μm，且在0.76V/μm的电场下其场发射电流密度高达1.92mA/cm2，通过Fowler-Nordheim(FN)理论公式计算出其增强因子β约高达5.6×104。所用公式J＝(Aβ2E2/Φ)exp(-BΦ3/2/βE)，其中A＝1.54×10-6A eV V-2，B＝6.83×103eV-3/2Vμm-1；Φ为测试材料的功函数，这里取氧化锌和硫化锌中的较小值5.3eV。样品的J-E曲线关系如图8所示(J表示电流密度，E表示电场强度)，样品相应的F-N曲线如图9所示。

Claims (10)

1.ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，其特征在于ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，按以下步骤进行：一、对单晶硅片进行清洗，然后在单晶硅片上溅射纳米金膜，作为硅衬底；二、将氧化锌粉末和硫化锌粉末按质量比为1～25∶1混合，作为源材料，锗粉作为催化剂，将源材料、催化剂和硅衬底都放置在耐高温容器中，其中源材料置于耐高温容器的一端，并将此端置于高温反应炉的中心位置，将催化剂置于源材料下游，与源材料之间的距离为0.06～0.08m，将硅衬底置于源材料下游，与源材料之间的距离为0.10～0.20m；三、将高温反应炉密封，抽真空，当高温反应炉内真空度低于10Pa时，通入惰性气体，气体流速为30～180sccm，高温反应炉压强达到102～103Pa时，加热高温反应炉至温度为1100～1380℃，并在此温度下恒温15～40分钟，然后使高温反应炉自然冷却至室温，停止通入惰性气体，打开高温反应炉，取出硅衬底，获得黄白色粉末，即为ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列；其中步骤二中催化剂与源材料的质量比1∶10.4～50。
2.根据权利要求1所述的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，其特征在于步骤一中所述单晶硅片是n型或p型。
3.根据权利要求1或2所述的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，其特征在于步骤一中对单晶硅片进行清洗的过程为：先用丙酮超声清洗15min，然后用无水乙醇超声清洗15min，最后用去离子水超声清洗15min。
4.根据权利要求3所述的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，其特征在于步骤二中氧化锌粉末和硫化锌粉末的纯度均为99.5％以上。
5.根据权利要求4所述的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，其特征在于步骤二所述耐高温容器为能够耐受1700℃以上高温的容器。
6.根据权利要求5所述的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，其特征在于步骤二中将氧化锌粉末和硫化锌粉末按质量比为1～2.5∶1混合。
7.根据权利要求6所述的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，其特征在于步骤二中催化剂与源材料的质量比1∶35。
8.根据权利要求7所述的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，其特征在于步骤二中锗粉的纯度为99.5％以上。
9.根据权利要求8所述的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，其特征在于步骤二中将催化剂置于源材料下游，与源材料之间的距离为0.06m。
10.根据权利要求9所述的ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法，其特征在于步骤三中惰性气体为氩气或氮气。
CN201210141384XA 2012-05-09 2012-05-09 ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法 Pending CN102664129A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210141384XA CN102664129A (zh) 2012-05-09 2012-05-09 ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210141384XA CN102664129A (zh) 2012-05-09 2012-05-09 ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102664129A true CN102664129A (zh) 2012-09-12

Family

ID=46773589

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210141384XA Pending CN102664129A (zh) 2012-05-09 2012-05-09 ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102664129A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111217319A (zh) * 2019-11-20 2020-06-02 西南交通大学 一种一维ZnO纳米异质结阵列的制备方法
WO2021136043A1 (zh) * 2019-12-31 2021-07-08 Tcl科技集团股份有限公司 一种复合材料、量子点发光二极管及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102345162A (zh) * 2011-04-19 2012-02-08 中国科学院合肥物质科学研究院 一维轴向型的纳米氧化锌/硫化锌异质结及其制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102345162A (zh) * 2011-04-19 2012-02-08 中国科学院合肥物质科学研究院 一维轴向型的纳米氧化锌/硫化锌异质结及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D.L.HUANG ET AL: ""Size-Dependent InAlO3(ZnO)m Nanowires with a Perfect Superlattice Structure"", 《JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111217319A (zh) * 2019-11-20 2020-06-02 西南交通大学 一种一维ZnO纳米异质结阵列的制备方法
CN111217319B (zh) * 2019-11-20 2023-04-11 西南交通大学 一种一维ZnO纳米异质结阵列的制备方法
WO2021136043A1 (zh) * 2019-12-31 2021-07-08 Tcl科技集团股份有限公司 一种复合材料、量子点发光二极管及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wan et al. Low-field electron emission from tetrapod-like ZnO nanostructures synthesized by rapid evaporation
Xiao et al. Field emission from zinc oxide nanotowers: the role of the top morphology
Rouhi et al. Synthesis of needle-shape ZnO-ZnS core-shell heterostructures and their optical and field emission properties
Fang et al. Optical and physical characteristics of In-doped ZnO nanorods
Zhang et al. Field emission property of ZnO nanoneedle arrays with differentmorphology
CN103935996B (zh) 一种用co2直接合成石墨烯的方法
Quirk et al. Band gap and electronic structure of MgSiN2
CN102664129A (zh) ZnO/ZnS异质结构纳米锥阵列的制备方法
Zou et al. SnO 2 nanoribbons: excellent field-emitters
Bai et al. Synthesis of zinc oxide nanosheet thin films and their improved field emission and photoluminescence properties by annealing processing
CN1283835C (zh) 钨、钼及其氧化物纳米线薄膜与纳米线阵列以及其制备与应用
CN101353816A (zh) 一种氧化钨铅笔状纳米结构阵列的生长方法
Tsai et al. Enhanced field electron emission from zinc-doped CuO nanowires
Sun et al. Field emission enhancement of composite structure of ZnO quantum dots and CuO nanowires by Al2O3 transition layer optimization
Chen et al. Processing, property modulation and application of one-dimensional SiC nanostructure field emitters
Zhang et al. Study on the preparation of InN films under different substrates and nitrogen-argon flow ratios and the effect of operating temperature on carrier transport in p-NiO/n-InN heterojunctions
Xiao et al. Enhanced field emission from ZnO nanopencils by using pyramidal Si (1 0 0) substrates
US20180026144A1 (en) Power semiconductor devices incorporating single crystalline aluminum nitride substrate
Wei et al. Field emission from hydrothermally grown ZnO nanoinjectors
CN104658829B (zh) 阶梯状组分渐变的AlN薄膜型冷阴极
Mishra et al. Going beyond copper: Wafer-scale synthesis of graphene on sapphire
Kim et al. Low-temperature growth and characterization of epitaxial ZnO nanorods by metalorganic chemical vapor deposition
CN101235483A (zh) 利用直流反应磁控溅射制备p-ZnMgO薄膜的方法
CN104528668A (zh) 一种AlxGa1-xN纳米线阵列及其制备方法与应用
Sun et al. Effect of N2 flux on the field emission properties of synthesized ZnO/ZrN core-shell nanostructures

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120912