CN102691084A

CN102691084A - 一步电沉积制备ZnO纳米棒阵列的方法

Info

Publication number: CN102691084A
Application number: CN201210211728XA
Authority: CN
Inventors: 任鑫; 赵彬
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明涉及一种通过直流电沉积在透明导电玻璃上生长ZnO纳米棒阵列的方法。属于纳米光电器件制备技术领域。其步骤包括：首先，配制一定浓度的Zn(NO₃)₂水溶液；其次，采用直流电沉积法在导电玻璃上进行沉积；最后，对生长好的ZnO纳米棒阵列进行热处理。本发明制备ZnO纳米棒阵列的溶液配制简单，成本低廉，比以往报道过的电沉积方法都要简便，使得它更适用于大规模、低成本纳米器件的制备。通过本方法制备的ZnO纳米棒阵列直径、高度、密度可调，可用于纳米光催化器件、光伏器件等纳米器件的组装。

Description

一步电沉积制备ZnO纳米棒阵列的方法

技术领域

本发明涉及一种在透明导电玻璃上制备直立ZnO纳米棒阵列的方法。属于纳米光电器件制备技术领域。

背景技术

在透明导电玻璃上制备大规模直立ZnO纳米棒阵列在纳米光催化器件、光伏器件方面都引起极大的关注。液相法制备ZnO纳米棒阵列的技术由于具有高产出率、低温度并且基底选择面广而倍受青睐。然而，目前采用的液相法如水热法和声化学法需要抗压设备或超声空化，这会降低纳米结构形貌的可控性。电沉积法可有效解决上述问题，但目前常用的电沉积法中，需要配制复杂的溶液或在基底沉积缓冲层，因此开发一种简单且普适的电沉积法成为当务之需。

经对现有技术文献的检索发现，Zhuo Zhang等人在《Journal of Physics Chemistry C》第114卷（2010年）189-193页报道了通过在Si基底上直接电沉积制备ZnO直立纳米棒阵列的方法。该方法通过在硝酸锌水溶液中逐滴加入氢氧化铵溶液（28 wt%NH₃的水溶液）配制成Zn(NH₃)₄(NO₃)₂溶液，然后在80℃的该电解液中电沉积生长ZnO纳米棒。该方法无需对基底表面预处理、无需在溶液中通氧、无需施压，但溶液的配制仍较为复杂。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种对操作环境要求宽松、溶液配制更为便利的ZnO直立纳米棒阵列在透明导电玻璃上的沉积方法。本发明中，在氧化铟锡（ITO）玻璃上的大规模ZnO纳米棒阵列可通过简单的一步电沉积法制得。没有添加剂、预处理层或模板应用在电沉积过程中，从而可以使其它干扰因素的影响最小化。本发明中采用的方法比以往报道过的电沉积方法都要简便，使得它更适用于大规模、低成本纳米器件的制备。本方法通过直流电沉积生长技术在ITO透明导电玻璃上生长ZnO纳米棒，制备出的纳米棒直径在100-180 nm可调，纳米棒阵列高度在600-1500 nm范围内可调。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

a. 配制一定浓度的Zn(NO₃)₂水溶液：

配制浓度为0.01-0.05 mol/L的Zn(NO₃)₂水溶液；

b. 采用直流电沉积法在ITO导电玻璃上进行沉积：

电流密度在0.1-1 mA·cm^-2，温度在75-95 ℃，沉积采用二电极体系，两电极保持平行，间距约为2 cm，沉积时间为20-40分钟。沉积完成后，将样品用去离子水反复清洗，去除样品上残留溶液离子；

c. 对生长好的ZnO纳米棒阵列进行热处理：

在150-200 ℃进行退火处理，保温6小时，热处理气氛为空气气氛；最终得到ZnO纳米棒阵列。

本发明制备得到的产物的物理化学特征为：颜色为无色透明，通过X射线衍射分析得到产物的晶相是六角纤锌矿结构，ZnO纳米棒沿c轴有着显著的择优取向。通过场发射扫描电子显微镜的观察，纳米棒直径在100-180 nm可调，纳米棒阵列高度在600-1500 nm范围内可调，纳米棒中心间距在150-300 nm可调。

与现有技术相比本发明的优点在于：本发明制备ZnO纳米棒阵列的溶液配制简单，成本低廉，比以往报道过的电沉积方法都要简便，使得它更适用于大规模、低成本纳米器件的制备。

附图说明

图1为本发明实施例1所得的ZnO纳米棒阵列的X射线衍射图。

图2为本发明实施例1所得的ZnO纳米棒阵列的扫描电子显微镜的侧视照。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

实施例1

电化学沉积过程在0.01 mol/L Zn(NO₃)₂水溶液中进行，采用的电源为二电极体系，电流密度恒定在0.1 mA·cm^-2，温度恒定在75 ℃，沉积时间为30分钟。ITO玻璃基底连接阴极，阳极采用2.25 cm²的铂片，两电极保持平行，间距为2 cm。沉积完成后，所有样品用去离子水反复清洗，去除样品上残留溶液离子。之后，将样品置于管式热处理炉中进行150 ℃退火处理。热处理在周围空气气氛中进行，以1.5 ℃ min^-1的加热速度升温至设定温度，保温6 h，然后以1.5 ℃ min^-1速度冷却至室温。

通过肉眼观察ZnO纳米棒阵列颜色为无色透明，通过X射线衍射分析（图1）得到产物的晶相是六角纤锌矿结构，（002）衍射峰的强度要显著高于ZnO的其它峰强，说明ZnO纳米棒沿c轴有着显著的择优取向。通过场发射扫描电子显微镜的观察（图2），ZnO纳米棒的直径为120-150 nm，纳米棒长度为800-1000 nm，纳米棒中心平均间距为300 nm。

实施例2

电化学沉积过程在0.01 mol/L Zn(NO₃)₂水溶液中进行，采用的电源为二电极体系，电流密度恒定在0.1 mA·cm^-2，温度恒定在85 ℃，沉积时间为40分钟。ITO玻璃基底连接阴极，阳极采用2.25 cm²的铂片，两电极保持平行，间距为2 cm。沉积完成后，所有样品用去离子水反复清洗，去除样品上残留溶液离子。之后，将样品置于管式热处理炉中进行150 ℃退火处理。热处理在周围空气气氛中进行，以1.5 ℃ min^-1的加热速度升温至设定温度，保温6 h，然后以1.5 ℃ min^-1速度冷却至室温。

ZnO纳米棒阵列颜色为无色透明，通过X射线衍射分析得到产物的晶相是六角纤锌矿结构。通过场发射扫描电子显微镜的观察，ZnO纳米棒的直径为150-180 nm，纳米棒长度为1200-1500 nm，纳米棒中心平均间距为300 nm。

实施例3

电化学沉积过程在0.05 mol/L Zn(NO₃)₂水溶液中进行，采用的电源为二电极体系，电流密度恒定在1 mA·cm^-2，温度恒定在95 ℃，沉积时间为30分钟。ITO玻璃基底连接阴极，阳极采用2.25 cm²的铂片，两电极保持平行，间距为2 cm。沉积完成后，所有样品用去离子水反复清洗，去除样品上残留溶液离子。之后，将样品置于管式热处理炉中进行200 ℃退火处理。热处理在周围空气气氛中进行，以1.5 ℃ min^-1的加热速度升温至设定温度，保温6 h，然后以1.5 ℃ min^-1速度冷却至室温。

ZnO纳米棒阵列颜色为无色透明，通过X射线衍射分析得到产物的晶相是六角纤锌矿结构。通过场发射扫描电子显微镜的观察，ZnO纳米棒的直径为100-120 nm，纳米棒长度为800-1000 nm，纳米棒中心平均间距为150 nm。

本发明的有益效果是：本发明制备ZnO纳米棒阵列的方法简单、易于操作，制备成本低廉，对环境要求宽松，制备的纳米棒直径在100-180 nm可调，纳米棒阵列高度在600-1500 nm范围内可调，纳米棒中心间距在150-300 nm可调，适用于组装纳米光催化器件、光伏器件等纳米器件。

Claims

1.一种一步电沉积制备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. 配制一定浓度的Zn(NO₃)₂水溶液：

配制浓度为0.01-0.05 mol/L的Zn(NO₃)₂水溶液；

b. 采用直流电沉积法在ITO导电玻璃上进行沉积：

电流密度在0.1-1 mA·cm^-2，温度在75-95 ℃，沉积采用二电极体系，两电极保持平行，间距约为2 cm，沉积时间为20-40分钟；沉积完成后，将样品用去离子水反复清洗，去除样品上残留溶液离子；

c. 对生长好的ZnO纳米棒阵列进行热处理：

在150-200 ℃进行退火处理，保温6小时，热处理气氛为空气气氛；最终制得ZnO纳米棒阵列。