CN108115146B - 一种氧化锌@锌微球的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种氧化锌@锌微球的制备方法，通过激光烧蚀技术制备，包括如下步骤：1)开启激光器，调节透镜的位置，将激光光束聚焦、焦点于锌靶材表面；2)向衬底上滴加溶液，直至铺满衬底；3)调节激光输出功率为150～300mW，在常温空气中对锌靶材烧蚀2～10min；4)将衬底置于真空下60℃下烘干，在衬底上得到氧化锌@锌微球。本方法简单易操作，在空气中的激光烧蚀对于实验的条件需求降低，只通过在室温空气环境下就可以获得核壳结构的氧化锌@锌复合微球，制得的氧化锌@锌微球直径为微米级，具有表面光滑的球形形貌，并具有明显的激光特性。

Description

一种氧化锌@锌微球的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氧化锌@锌微球的制备方法，特别涉及一种一步法制备氧化锌@锌微球的方法，属于复合材料纳米粒子制备领域。
背景技术
半导体氧化物@金属复合纳米粒子由于非裸金属非金属氧化物特殊的纳米结构而具有独特的光学，光催化和电学特性，吸引了许多研究人员的研究，并致力于提高其催化，传感和可调发光等特性。这种结构的物理和化学性质具有可调性并且其性质取决于壳层的厚度的变化。通过内核直径和壳层厚度的改变，已被证实具有明显的光发射和吸收的变化。
锌是一种常见的并且廉价的金属材料，它的氧化产物是一种良好的直接宽禁带半导体金属氧化物。氧化锌在室温下具有3.37eV的禁带宽度和60meV的激子结合能，所以具有良好的紫外区域的发光特性，以及光催化和传感特性。而锌与氧化锌的复合不仅可以提高氧化锌发光特性，还可以提高它的光催化特性。但锌具有很高的活泼性，极易被氧化。所以在氧化锌@锌的复合结构中，锌的稳定性成为了制备过程中的难题。氧化锌包覆锌的结构成为了这种复合材料的主要合成方式。这种核壳结构由于氧化锌外壳的稳定性保证了内部的锌的稳定性。在现有的制备方法中，水热法成功应用于合成氧化锌@锌复合材料微球，但合成的微球结晶性较差，表面粗糙，并且壳壁较厚，因此难以具备良好的光学特性。
近年来，利用激光对沉浸在液体中固体靶材进行烧蚀制备纳米材料的新方法受到了广泛的关注。但液相烧蚀法对实验的需求较高，并且存在一定的安全隐患。
发明内容
发明目的：本发明针对现有氧化锌@锌复合结构及其制备方法存在的问题，提供一种新的氧化锌@锌微球的制备方法，该方法工艺简单，可制得微米级的氧化锌@锌微球。
技术方案：本发明所述的一种氧化锌@锌微球的制备方法，通过激光烧蚀技术制备氧化锌@锌微球，具体包括如下步骤：
1)开启激光器，调节透镜的位置，将激光光束聚焦、焦点于金属锌靶材表面；
2)向衬底上滴加溶液，使溶液铺满衬底；
3)调节激光输出功率为150～300mW，在常温空气中对金属锌靶材烧蚀2～10min；
4)将衬底置于真空下60℃下烘干，在衬底上得到氧化锌@锌微球。
上述步骤2)中，可先将衬底的位置调节至在横向上距离锌靶材5mm、纵向上距离激光聚焦点1cm，然后向衬底上滴加溶液。
衬底可为硅片、石英片等普通衬底中的一种，优选为硅片。
衬底上滴加的溶液优选为去离子水或无水乙醇，使用去离子水或无水乙醇可得到直径为微米级的氧化锌@锌微球，滴加的溶液不同，最终制得的氧化锌@锌微球的直径不同，在去离子水中得到的氧化锌@锌微球的尺寸较大。
进一步的，步骤3)中，激光输出功率优选为200～220mW，最好为210mW；烧蚀时间优选为4～6min，最好为5min；此时，可制得表面光滑且具有较好激光特性的氧化锌@锌微球；激光输出功率过低或过高均无法制得具有激光特性的氧化锌@锌微球。
发明原理：本发明的制备方法为气相烧蚀法，在空气中，通过热效应产生的等离子体掉落在衬底上的液体中产生团聚，并且由于表面张力的作用可以形成球状结构的微米粒子。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于，(1)本发明的氧化锌@锌微球制备方法为无模板制备法，与现有常用的模板法相比省去了模板的制备过程，方法简单易操作；(2)本发明的氧化锌@锌微球制备方法为气相烧蚀法，与液相烧蚀法相比，在空气中的激光烧蚀对于实验的条件需求降低，只通过在室温空气环境下就可以获得核壳结构的氧化锌@锌复合微球，避免了高能量的激光与液体的直接作用，并且易于控制；(3)通过本发明的方法可以获得直径为微米级的氧化锌@锌微球，该氧化锌@锌微球为中空的核壳式结构，具有表面光滑的球形形貌，并具有纳米尺寸的壳壁；而且，本发明还可制得具有明显的激光特性的氧化锌@锌微球。
附图说明
图1为本发明的氧化锌@锌微球制备方法所用设备的结构示意图；
图2为实施例1得到的衬底的扫描电镜图片，衬底上生长有氧化锌@锌复合微球；
图3为实施例2制得的微米级核壳结构氧化锌@锌复合微球的扫描电镜照片；
图4为实施例2制得的氧化锌@锌微球在不同激发功率下的激光光谱；
图5为实施例3制得的氧化锌@锌微球的扫描电镜图片。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种氧化锌@锌微球的制备方法，采用脉冲激光沉积系统、通过激光烧蚀技术一步法制备得到氧化锌@锌微球。如图1，脉冲激光沉积系统包括脉冲激光器1、透镜2、金属锌靶材3，置物台4和衬底5，在空气中直接用激光对靶材进行烧蚀，金属靶材由于激光的高能量烧蚀，会产生金属等离子体，进而在衬底上的液体环境中团聚和氧化，最终在衬底上形成氧化锌@锌的复合微球。
制得的氧化锌@锌微球为氧化锌微球壳包裹锌颗粒的核壳式结构复合微球，具有表面光滑的球形形貌；且该复合微球为中空结构，直径为微米级别，微球壳壁具有纳米尺寸。
实施例1
开启脉冲激光器1，调节透镜2的位置，将激光光束聚焦、焦点于锌靶材3表面；然后将衬底硅片放置于横向距离靶材5mm，纵向距离激光聚焦点1cm的位置处，在硅片上滴加数滴去离子水，至平铺满衬底；调至激光输出功率为150mW，烧蚀时间为2min；将硅片置于60℃下烘干，如图2，硅片上生长有氧化锌@锌复合微球，但是，由于激光输出功率过低，得到氧化锌@锌微球形貌不规则，没有形成光滑、规整的复合粒子。
实施例2
开启脉冲激光器1，调节透镜2的位置，将激光光束聚焦、焦点于锌靶材3表面；然后将衬底硅片放置于横向距离靶材5mm，纵向距离激光聚焦点1cm的位置处，在硅片上滴加数滴去离子水，至平铺满衬底；调至激光输出功率为210mW，烧蚀时间为5min；将硅片置于60℃下烘干得到氧化锌@锌微球，其结构如图3，可以看到，该氧化锌@锌微球为氧化锌微球壳包裹锌颗粒的中空核壳式复合微球，具有表面光滑的球形形貌，其直径约为3μm。
测试制得的氧化锌@锌微球的激光性能，获得的激光光谱如图4，可以看到，该氧化锌@锌微球具有明显的激光特性。
实施例3
开启脉冲激光器1，调节透镜2的位置，将激光光束聚焦、焦点于锌靶材3表面；然后将衬底硅片放置于横向距离靶材5mm，纵向距离激光聚焦点1cm的位置处，在硅片上滴加数滴去离子水，至平铺满衬底；调至激光输出功率为300mW，烧蚀时间为10min；将硅片置于60℃下烘干，得到由不同块状物质团聚成的氧化锌@锌微球，如图5，其表面凹凸不平不光滑，微球直径约为3μm，没有明显的激光现象。
实施例4
开启脉冲激光器1，调节透镜2的位置，将激光光束聚焦、焦点于锌靶材3表面；然后将衬底硅片放置于横向距离靶材5mm，纵向距离激光聚焦点1cm的位置处，在硅片上滴加数滴无水乙醇，至平铺满衬底；调至激光输出功率为210mW，烧蚀时间为5min；将硅片置于60℃下烘干得到直径约为1μm氧化锌@锌微球，其形貌与实施例2相似，激光特性与实施例2比略差。
对比例1
开启脉冲激光器1，调节透镜2的位置，将激光光束聚焦、焦点于锌靶材3表面；然后将衬底硅片放置于横向距离靶材5mm，纵向距离激光聚焦点1cm的位置处，在硅片上滴加数滴0.01M的SDS溶液，至平铺满衬底；调至激光输出功率为210mW，烧蚀时间为5min；将硅片置于60℃下烘干，得到直径约为400nm的氧化锌@锌微球，微球表面光滑，但没有激光特性。
对比例2
开启脉冲激光器1，调节透镜2的位置，将激光光束聚焦、焦点于锌靶材3表面；然后将衬底硅片放置于横向距离靶材5mm，纵向距离激光聚焦点1cm的位置处，在硅片上滴加数滴0.05M的SDS溶液，至平铺满衬底；调至激光输出功率为210mW，烧蚀时间为5min；将硅片置于60℃下烘干，得到直径约为200nm的氧化锌@锌微球，微球没有激光特性。
对比例3
开启脉冲激光器1，调节透镜2的位置，将激光光束聚焦、焦点于锌靶材3表面；然后将衬底硅片放置于横向距离靶材5mm，纵向距离激光聚焦点1cm的位置处，在硅片上滴加数滴0.1M的SDS溶液，至平铺满衬底；调至激光输出功率为210mW，烧蚀时间为3min；将硅片置于60℃下烘干，得到直径约为100nm的氧化锌@锌微球，微球没有激光特性。
分析对比例1～3及实施例1～4可知，衬底上滴加的溶液为去离子水或无水乙醇时，可制得微米级别的氧化锌@锌微球，其他溶液，如常用的SDS溶液只能制得纳米级别的氧化锌@锌微球，这种纳米级别的氧化锌@锌微球不具备激光特性。

Claims (3)

1.一种氧化锌@锌微球的制备方法，其特征在于，所述氧化锌@锌微球通过激光烧蚀制得，具体包括如下步骤：
1)开启激光器，调节透镜的位置，将激光光束聚焦、焦点于金属锌靶材表面；
2)向衬底上滴加溶液，使溶液铺满衬底；所述溶液为去离子水或无水乙醇；
3)调节激光输出功率为200～220mW，在常温空气中对金属锌靶材烧蚀4～6min；
4)将衬底置于真空下60℃下烘干，在衬底上得到氧化锌@锌微球。
2.根据权利要求1所述的氧化锌@锌微球的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述衬底为硅片或石英片。
3.根据权利要求1所述的氧化锌@锌微球的制备方法，其特征在于，步骤2)中，先将所述衬底的位置调节至在横向上距离锌靶材5mm、纵向上距离激光聚焦点1cm，然后向衬底上滴加溶液。
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