CN104724754B - 一种金属氧化物纳米带的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属氧化物纳米带的制备方法，涉及纳米材料制备技术领域，该方法先利用草酸等模板溶液在单晶硅片或单晶氧化铝片等结晶基体上结晶生成条状模板，再采用真空镀膜工艺将金属镀到条状模板上，然后将条状模板用溶剂溶解去除，得到独立的金属纳米带，最后将金属纳米带在含氧气氛中进行氧化处理，即得到金属氧化物纳米带。本发明所制备的金属氧化物纳米带的厚度可控，制备工艺中所需温度低，设备低廉，工艺简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体涉及一种金属氧化物纳米带的制备方法。
背景技术
一维金属氧化物纳米结构，如纳米线，纳米棒，纳米管或纳米带，是制备纳米器件的关键部件。特别是纳米带可用于制备沿纳米带方向的功能器件，如制备场效应晶体管来研究纳米金属氧化物的半导体性能和气体感应器性能。
采用在高温下蒸发金属氧化物粉末的方法，半导体金属锌，锡，铟，镉氧化物纳米带已经被成功地合成。纳米带宽度为30到300纳米，厚度为50到30纳米，长度达几毫米。此种金属氧化物纳米带的制备方法存在工艺复杂、制备温度高和成本高等缺点，所制备的金属氧化物纳米带是单晶体。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属氧化物纳米带的制备方法，所制备的金属氧化物纳米带的厚度可控，制备工艺中所需温度低，设备低廉，工艺简单，成本低，制得的金属氧化物纳米带为多晶体。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种金属氧化物纳米带的制备方法，该方法先利用模板溶液在结晶基体上结晶生成条状模板，再采用真空镀膜工艺将金属镀到条状模板上，然后将条状模板用溶剂溶解去除，得到独立的金属纳米带，最后将金属纳米带在含氧气氛中进行氧化处理，即得到金属氧化物纳米带。
所述的模板溶液可采用草酸的水或酒精溶液，或者其他室温下为固态弱酸的溶液，如柠檬酸、山梨酸、酒石酸或者丁二酸的水或者乙醇溶液。所述的结晶基体为不与所述模板溶液起明显化学反应的单晶材料，如单晶硅片或者单晶氧化铝片等。条状结晶物模板形成的原理是：当模板溶液的溶剂挥发时，作为溶质的固态弱酸从其溶液中结晶，结晶基体采用单晶材料，这样，为降低能量，结晶的固态弱酸与基体间有一定的位向关系而形成条状固态弱酸，得到模板。
模板溶液以草酸溶液为例，本发明的具体方法包括如下步骤：
（1）、将草酸溶于水或者酒精中得草酸溶液，草酸溶液的质量浓度为5%至过饱和。
（2）、将结晶基体（即单晶硅片或者单晶氧化铝片）放入丙酮中超声波清洗，取出后用无水酒精冲洗干净，将清洗干净的结晶基体放入草酸溶液10分钟到5天后，取出自然晾干，则在结晶基体上得到条状草酸。
（3）、以结晶基体上得到的条状草酸为模板，在真空中镀金属。真空中镀金属的方法可以是磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发等。
（4）、将草酸模板上镀有金属的结晶基体放入水、乙醇或者其他可溶解草酸的各种溶剂中，溶解掉草酸模板，得到独立的金属纳米带。
（5）、将金属纳米带在含氧气氛中进行氧化处理，即得到金属氧化物纳米带。氧化温度越高，氧化速度越快，由于金属纳米带厚度很薄，可控制在纳米级，所以氧化温度较低，如200~500℃，氧化时间为5~30min。
本发明的方法，从原理上讲，在空气中能与氧起反应形成金属氧化物的金属都可采用此方法来制备其氧化物纳米带，如锌、钛、铁、铬、铜、镍等金属。
有益效果：本发明制备工艺中，先是以结晶物为模板，采用真空镀膜技术将金属镀到结晶物模板上，并通过将模板溶解而得到独立的金属纳米带，然后，对得到的金属纳米带进行氧化处理从而最终得到金属氧化物纳米带。该工艺中，采用结晶物为模板克服了在普通基体上镀膜后金属膜很难从基体上脱落的问题，从而最终得到了独立的金属氧化物纳米带。因为独立的纳米带不是依附在一个支撑体上，因此便于对其性能进行研究。
本发明制备的独立的金属氧化物纳米带可用于制备微米/纳米器件，或作为研究纳米材料性能的样品。金属氧化物纳米带的厚度可由真空镀膜工艺进行控制，且具有制备温度低，所需设备价格低廉，成本低，工艺简单，易于控制生产条件等优点。
附图说明
图1为实施例1中使用的商用草酸粉末扫描电镜（SEM）照片。
图2为实施例1中在单晶硅片侧面生长的草酸模板的扫描电镜（SEM）照片。
图3为实施例1中在单晶硅片表面生长的草酸模板的扫描电镜（SEM）照片。
图4为实施例1所得的钛纳米带的透射电镜形貌像。
具体实施方式
实施例1
配制浓度为5%的草酸溶液：用电子天平称取5g固体草酸放入小烧杯中，然后量取95ml的去离子水加入到烧杯中，用玻璃棒搅拌至固体消失。
清洗单晶硅片：将切好的单晶硅片放入烧杯中，加入丙酮，超声波清洗5分钟，取出后用无水酒精冲洗干净，使其自然晾干。
在单晶硅片上生长草酸模板：取适当大小的反应皿，倒入配制好的质量浓度为5%的草酸溶液，将清洗后晾干的单晶硅片放入草酸溶液中，10分钟后取出，自然晾干，即可在单晶硅片上得到条状草酸。将草酸粉末放单晶硅片上，用扫描电镜(SEM)观察草酸粉末的形貌，见图1，草酸粉末的尺寸在100~300μm。用扫描电镜(SEM)观察单晶硅片上生长的草酸模板，结果见图2和图3。图2为在单晶硅片侧面上生长的草酸模板，尺寸为5-25μm宽、100~150μm长，图3为在单晶硅片表面生长的草酸模板，其尺寸较小，宽度为1-2μm、长度为5~15μm。
在单晶硅片上生长的草酸模板上镀钛膜：将单晶硅片上生长的草酸模板在真空下磁控溅射喷钛30秒。然后将试样放在酒精溶液中将草酸溶解在溶液中，得到独立的钛纳米带，图4是钛纳米带的透射电镜形貌像。
钛纳米带的氧化处理：将钛纳米带在空气中氧化30分钟，温度为300℃，钛与氧反应形成氧化钛纳米带。
实施例2
草酸溶液的配制：以酒精为溶剂，配制浓度为10%的草酸的酒精溶液。
清洗单晶氧化铝基体：将切好的单晶氧化铝片放入烧杯中，加入丙酮，超声波清洗5分钟，取出后用无水酒精冲洗干净，使其自然晾干。
在单晶氧化铝基体上生长草酸模板：取适当大小的反应皿，倒入配制好的质量浓度为10%的草酸溶液，将清洗后晾干的单晶氧化铝片放入草酸溶液中，1小时后取出，自然晾干，即可在单晶氧化铝基体上得到条状草酸。
在草酸模板上镀锌膜：将单晶氧化铝基体上生长的草酸模板在真空下磁控溅射喷锌60秒。然后将试样放在酒精溶液中将草酸溶解在溶液中，得到独立的锌纳米带。
锌纳米带的氧化处理：将锌纳米带置于空气气氛中，温度为200℃氧化30分钟，用EDS成分分析纳米带为氧化锌纳米带。
实施例3
柠檬酸溶液的配制：查找柠檬酸的溶解度数据，用去离子水配制柠檬酸在室温下的过饱和溶液。
清洗单晶硅片：将切好的单晶硅片放入烧杯中，加入丙酮，超声波清洗5分钟，取出后用无水酒精冲洗干净，使其自然晾干。
在单晶硅片上生长柠檬酸条状模板：取适当大小的反应皿，倒入配制好的柠檬酸过饱和溶液，将清洗后晾干的单晶硅片放入柠檬酸过饱和溶液中，5天后取出，自然晾干，即可在单晶硅片上得到条状柠檬酸。
在单晶硅片上生长的柠檬酸模板上镀铜膜：将单晶硅片上生长的条状柠檬酸模板在真空下磁控溅射喷铜50秒，然后将试样放在水中将柠檬酸模板溶解，从而得到独立的铜纳米带。
铜纳米带的氧化处理：将铜纳米带置于空气气氛中，温度为200℃氧化30分钟，则铜与空气中的氧反应，从而生成氧化铜纳米带。
实施例4
采用浓度为10%的山梨酸的乙醇溶液为模板溶液，结晶基体采用单晶氧化铝片，制备金属铁的氧化物纳米带。其他地方制备过程与实施例1相同。
实施例5
采用浓度为10%的酒石酸的乙醇溶液为模板溶液，结晶基体采用单晶硅片，制备金属铬的氧化物纳米带。其他地方制备过程与实施例1相同。
实施例6
采用浓度为10%的丁二酸的水溶液为模板溶液，结晶基体采用单晶硅片，制备金属镍的氧化物纳米带。其他地方制备过程与实施例1相同。
Claims (6)
1.一种金属氧化物纳米带的制备方法，其特征在于：先利用模板溶液在结晶基体上结晶生成条状模板，再采用真空镀膜工艺将金属镀到条状模板上，然后将条状模板用溶剂溶解去除，得到独立的金属纳米带，最后将金属纳米带在含氧气氛中进行氧化处理，即得到金属氧化物纳米带；所述模板溶液的溶质为室温下呈固态的弱酸，所述结晶基体为单晶材料。
2.如权利要求1所述的一种金属氧化物纳米带的制备方法，其特征在于：所述的模板溶液为草酸、柠檬酸、山梨酸、酒石酸或者丁二酸的水或酒精溶液，所述的结晶基体为单晶硅片或单晶氧化铝片。
3.如权利要求2所述的一种金属氧化物纳米带的制备方法，其特征在于：所述条状模板的生成方法为：将所述结晶基体先后用丙酮、无水酒精清洗干净后，将其放入模板溶液内，放置10分钟~5天后，取出自然晾干，即可在结晶基体上得到条状模板。
4.如权利要求2所述的一种金属氧化物纳米带的制备方法，其特征在于：所述模板溶液的质量浓度为5%至过饱和。
5.如权利要求2所述的一种金属氧化物纳米带的制备方法，其特征在于：在所述条状模板上完成真空镀膜工艺后，条状模板采用水或乙醇溶解去除。
6.如权利要求1所述的一种金属氧化物纳米带的制备方法，其特征在于：所述真空镀膜工艺采用磁控溅射、热蒸发或者电子束蒸发方法。
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| ZnO Nanobelt Arrays Grown Directly from and on Zinc Substrates: Synthesis,Characterization, and Applications;Xiaogang Wen等;《J. Phys. Chem. B》;20050723;摘要 * |
| 热氧化法在镀铜锌箔上制备ZnO纳米片;王俊鹏等;《河南科技大学学报：自然科学版》;20120430;第33卷(第2期);摘要 * |
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