CN105645345B - 一种微纳器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微纳器件及其制备方法，该微纳器件包括：基片；在所述基片上沉积的ZnO纳米层；在所述ZnO纳米层上自组装合成的石墨烯量子点以及在所述ZnO纳米层上自组装合成的石墨烯量子点的基片上进一步光催化降解合成的纳米Au胶体。该微纳器件性能优异、成本低廉，可应用于有罗丹明污染的水资源中。

Description

一种微纳器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳功能器件领域，尤其涉及石墨烯量子点的自组装合成以及纳米金颗粒的光催化降解合成的一种微纳器件及其制备方法。
背景技术
石墨烯（graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，并且只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，从而无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov，成功地在实验从石墨中分离出石墨烯，并证实石墨烯可以单独存在，最终两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯是目前已知的最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；其导热系数高达5300W/m•K，高于碳纳米管和金刚石；常温下其电子迁移率超过15000cm2/V•s，比纳米碳管或硅晶体高。但是，石墨烯的电阻率只约10-8Ω•m，比铜和银更低，为电阻率最小的材料。因此，石墨烯能够广泛运用于纳米发电机、力电传感器、发光二极管、场发射冷阴极、紫外探测器、太阳能电池等多种纳米功能器件上，将成为高速晶体管、高灵敏传感器、激光器、触摸屏以及生物医药器材等多种器件的核心材料。
石墨烯量子点(graphene quantum dot，简称GQD)是准零维的纳米材料，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著，并具有许多独特的性质，这或将为电子学、光电学和电磁学领域带来革命性的变化。石墨烯量子点不仅能够应用于能量储存、生物传感、光电设备、电子设备、光学染料、生物标记和复合微粒系统等方面，而且，在生物、医学、材料、新型半导体器件等领域具有重要潜在应用。另外，石墨烯量子点既能实现单分子传感器，也能催生超小型晶体管或是利用半导体激光器所进行的芯片上的通讯来制作的化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等等。
单原子层沉积（atomic layer deposition，简称ALD），又称原子层沉积或原子层外延（atomic layer epitaxy），最初是由芬兰科学家提出并用于多晶荧光材料ZnS:Mn以及非晶Al2O3绝缘膜的研制。原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种方法，当前驱体达到沉积基体表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对原子层沉积反应器进行清洗。
现有技术中制备石墨烯—金纳米系统的方法如下：石墨烯可以采用常用的化学方法制备，得到石墨烯的胶体悬浮液；然后，将金纳米粒子与石墨烯混合，同时在室温下搅拌，通过电泳沉积法制备石墨烯—金溶液；最后，在溶液中插入电极，通入稳定电流并持续一定时间，则在电极附近可以沉积一定的石墨烯—金纳米系统。该方法工艺复杂，不易控制，且成本高。
发明内容
本发明旨在提出一种快速、可控、均匀、大面积制备微纳器件的方法，核心在于石墨烯量子点的自组装合成以及纳米金颗粒的光催化降解合成。所得到的微纳器件性能优异、成本低廉，可在有罗丹明污染的水资源中应用。
一方面，本发明的微纳器件，包括基片、在所述基片上沉积的ZnO纳米层、在所述ZnO纳米层上自组装合成的石墨烯量子点以及在所述ZnO纳米层上自组装合成的石墨烯量子点的基片上进一步光催化降解合成的纳米Au胶体。
优选地，所述ZnO纳米层的厚度为50-300nm。
另一方面，本发明的微纳器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：对基片进行超声清洗并烘干；
步骤二：在所述基片上运用单原子沉积技术沉积ZnO纳米颗粒，形成ZnO纳米层；
步骤三：将沉积了所述ZnO纳米层的基片浸没到石墨烯量子点溶液中，在所述ZnO纳米层上自组装合成石墨烯量子点，构成了多层混合结构；
步骤四：通过紫外光照还原氯金酸的方法制备得到纳米Au胶体；
步骤五：将所述步骤三得到的多层混合结构浸没到酒精溶液中，并将所述步骤四得到的所述纳米Au胶体加入其中，构成混合溶液；以及
步骤六：在紫外灯光源的照射下，用磁力搅拌机搅拌所述步骤五得到的所述混合溶液，利用光催化降解合成将所述纳米Au胶体修饰到所述ZnO纳米层表面，形成纳米Au颗粒，形成所述微纳器件。
优选地，所述基片可选用硅片或者导电玻璃。
优选地，所述基片面积小于400cm2。
优选地，所述ZnO纳米颗粒的粒度为1-50nm，所述ZnO纳米层的厚度为50-300nm。
优选地，所述石墨烯量子点溶液的浓度为0.5-5mg/ml。
优选地，所述步骤六的所述紫外灯光源的功率为50-500w。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
图1示出了本发明的微纳器件在扫描电镜下的照片。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
下面详细说明本发明的微纳器件的制备方法：
步骤一：选用15mm*15mm的硅片或导电玻璃作为基片，并对该基片进行超声清洗并烘干。所述基片的面积小于400cm2。
步骤二：在所述基片上运用单原子沉积技术沉积ZnO纳米颗粒，形成ZnO纳米层。所述ZnO纳米颗粒的粒度为1-50nm，所述ZnO纳米层的厚度为50-300nm。优选地，所述ZnO纳米层的厚度为100nm，所述ZnO纳米颗粒的粒度为20nm。
步骤三：将沉积了ZnO纳米颗粒的基片浸没在1mg/mL的石墨烯量子点溶液中，在ZnO上自组装合成石墨烯量子点。优选地，所述石墨烯量子点溶液的浓度为0.5-5mg/ml。
步骤四：通过紫外光照还原氯金酸的方法制备得到纳米Au胶体。
步骤五：将所述步骤三得到的在ZnO上自组装合成石墨烯量子点的基片浸没在酒精溶液中，并将所述步骤四得到的所述纳米Au胶体加入其中。
步骤六：在功率为100w的紫外灯光源的照射下，用磁力搅拌机搅拌所述步骤五得到的混合溶液，利用光催化降解合成将纳米Au胶体修饰到ZnO纳米层表面，形成纳米Au颗粒。优选地，所述紫外灯光源的功率为50-500w。
通过上述步骤一~六形成了微纳器件。参见附图1，在扫描电镜下，ZnO纳米层上自组装形成了石墨烯量子点（GQD）和光催化降解合成的纳米Au颗粒。
上述微纳器件即为罗丹明污染物降解系统，可用于有罗丹明污染的水资源的降解。例如，将上述微纳器件放入100ml罗丹明溶液（2mg/L）时，可在10分钟之内将罗丹明完全降解，且反应物对水体无污染，对水体污染突发事件、微污染水源和工业废水的处理提供了极大的帮助。另外，上述降解的工艺简单、成本低廉。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种微纳器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对基片进行超声清洗并烘干；
步骤二：在所述基片上运用单原子沉积技术沉积ZnO纳米颗粒，形成ZnO纳米层；
步骤三：将沉积了所述ZnO纳米层的基片浸没到石墨烯量子点溶液中，在所述ZnO纳米层上自组装合成石墨烯量子点，构成了多层混合结构；
步骤四：通过紫外光照还原氯金酸的方法制备得到纳米Au胶体；
步骤五：将所述步骤三得到的多层混合结构浸没到酒精溶液中，并将所述步骤四得到的所述纳米Au胶体加入其中，构成混合溶液；以及
步骤六：在紫外灯光源的照射下，用磁力搅拌机搅拌所述步骤五得到的所述混合溶液，利用光催化降解合成将所述纳米Au胶体修饰到所述ZnO纳米层表面，形成纳米Au颗粒，形成所述微纳器件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基片选用硅片或者导电玻璃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基片的面积小于400cm2。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述ZnO纳米颗粒的粒度为1-50nm，所述ZnO纳米层的厚度为50-300nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯量子点溶液的浓度为0.5-5mg/ml。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤六中的所述紫外灯光源的功率为50-500w。
7.一种微纳器件，其根据权利要求1的制备方法所制备。
8.根据权利要求7所述的微纳器件，其特征在于，所述ZnO纳米层的厚度为50-300nm。
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