CN103880062A - 一种氧化锌纳米柱薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化锌纳米柱薄膜及其制备方法。氧化锌纳米柱薄膜的微观结构具有六角柱状。其制备方法为将的六水合硝酸锌溶于去离子水中，通过搅拌配置成透明的硝酸锌溶液，然后逐滴加入氨水，使之形成透明的氨水络合物，然后，取适当溶液移入耐高压水热釜的聚四氟乙烯内胆中，同时将清洗干净的铜片放入水热釜内胆，严密封紧好后置入干燥箱，控制温度和时间进行水热反应，待反应结束后经过数次清洗、干燥，即在铜衬底上制备一层氧化锌纳米柱薄膜。采用本发明方法制备氧化锌纳米柱薄膜，原料廉价，环境友好，所用设备和制备过程简单，方便快捷，所得氧化锌纳米柱薄膜具有大面积均匀性、取向一致的特点，是一种性能良好的发光材料和半导体材料。

Description

一种氧化锌纳米柱薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米氧化物薄膜制备领域，具体涉及一种氧化锌纳米柱薄膜及其制备方法。
背景技术
氧化锌是一种重要的宽带隙化合物半导体材料，禁带宽度为3.37eV，具有较高的激子束缚能(60meV)，纳米氧化锌具有很多特殊性质，如荧光性，压电性，吸收和散射紫外线等，利用其在光、电、磁等方面的性能可制作传感器、发光器件、压电压敏器件，磁性材料等，其纳米薄膜在太阳能电池和光催化领域具有广泛的应用。
根据制备方法的不同可制备出不同形貌和结构的纳米氧化锌，纳米氧化锌的制备方法有很多，其中以气-固-液(VLS)法、化学气相沉积法、水热合成法和电化学沉积较多。尽管气-固-液(VLS)法在生长取向一致的氧化锌纳米线阵列方面很有优势，但这个过程涉及的反应较多，不易控制，而且需要加高温，同时在生长过程中需要催化剂颗粒辅助生成晶核，过程较为复杂且增加了成本；采用化学气相沉积法得到的纳米氧化锌颗粒细小，产物的均匀性好，但对设备要求比较高，成本高，工艺技术复杂；采用电化学沉积和水热法可以降低成本，反应条件温和易控，操作方便，但通常需要现在衬底上制备一层氧化锌的籽晶作为种子层，然后再在种子层上进行纳米结构的合成。
发明目的
本发明针对现有技术的不足，提出一种氧化锌纳米柱薄膜及其制备方法。
本发明提出的氧化锌纳米柱薄膜，是一种具有六角柱状结构，直径为50～200 nm，长度为1～3 μm，具有大面积均匀性，沉积在铜片上的薄膜厚度在3～5 μm，表面具有白色和淡黄色的外观。
本发明提出的氧化锌纳米柱薄膜的制备方法，具体为将0.02 mol Zn(NO3)2?6H2O溶于50 ~ 300 ml的去离子水中，通过搅拌配置成一定浓度的透明的硝酸锌溶液，然后逐滴加入0.5 ~ 3 ml的质量分数为25% ~ 28%的氨水，边加氨水边搅拌，使之形成澄清透明的溶液，然后，取适量溶液移入耐高压水热釜的体积为30 ~ 100 ml的聚四氟乙烯内胆中，同时将清洗干净的铜片放入水热釜内胆，严密封紧好后置入干燥箱，控制温度70℃ ~ 100℃、时间1 h ~ 5 h进行水热反应，待反应结束后冷却至室温取出，将反应余液倒出，并用去离子水清洗数次，干燥后，即在铜衬底上制备一层氧化锌纳米柱薄膜。
进一步说，先驱物材料Zn(NO3)2?6H2O的纯度范围为99%~99.999%。
进一步说，配置溶液的搅拌是人工搅拌或磁力搅拌。
进一步说，逐滴加入0.5 ~ 3 ml的质量分数为25% ~ 28%的氨水时，在通风厨中进行快速滴加，且注意观察溶液出现白色沉淀的情况，以出现白色沉淀后又瞬间变澄清时停止滴加。
进一步说，将溶液移入耐高压水热釜的聚四氟乙烯内胆中时，以溶液体积占水热釜内胆的60%为宜。
进一步说，铜片需依次经过丙酮、酒精和去离子水超声清洗15分钟。
进一步说，水热反应结束后冷却至室温25℃。 
进一步说，水热反应结束后冷却至室温取出后，铜片需经去离子水清洗3次以上，且样品干燥温度不超过60℃。
本发明方法提供了一种较为简单的一步合成氧化锌纳米柱薄膜的水热合成方法，通过控制反应物浓度、合成温度和沉积时间等参数来控制纳米氧化锌的形貌发生变化，该方法具有设备简单、操作方便、合成时间短、产物产量高的特点，非常适用于大规模成膜，同时利用该方法制备的纳米氧化锌薄膜还有荧光特性和场发射性能，在光电子器件以及作为能源期间缓冲层薄膜等方面具有潜在的应用价值。
附图说明
图1 所制备的氧化锌纳米柱薄膜的X射线衍射图。
图2a 所制备的氧化锌纳米柱薄膜的SEM图（反应物浓度为0.4mol/L），放大倍数为10K。
图2b 所制备的氧化锌纳米柱薄膜的SEM图（反应物浓度为0.4mol/L），放大倍数为5K。
图2c 所制备的氧化锌纳米柱薄膜的SEM图（反应物浓度为0.4mol/L），放大倍数为1K。
 
图3a 所制备的氧化锌纳米柱薄膜的SEM图（反应物浓度为0.2mol/L），放大倍数为10K。
图3b 所制备的氧化锌纳米柱薄膜的SEM图（反应物浓度为0.2mol/L），放大倍数为5K。
图3c 所制备的氧化锌纳米柱薄膜的SEM图（反应物浓度为0.2mol/L），放大倍数为2K。
图4a 所制备的氧化锌纳米柱薄膜的SEM图（反应时间1.5h），放大倍数为50K。
图4b 所制备的氧化锌纳米柱薄膜的SEM图（反应时间1.5h），放大倍数为30K。
图4c 所制备的氧化锌纳米柱薄膜的SEM图（反应时间1.5h），放大倍数为10K。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明：
实施例1，将0.02 mol Zn(NO3)2?6H2O溶于50 ml的去离子水中，通过手动搅拌配置成0.4 mol/L的澄清透明的硝酸锌溶液，然后逐滴加入1.5 ml的质量分数为27%的氨水，边加氨水边搅拌，使之形成澄清透明的溶液，然后，取约18 ml溶液移入耐高压水热釜的体积为30ml的聚四氟乙烯内胆中，同时将清洗干净的铜片放入水热釜内胆，严密封紧好后置入干燥箱，控制温度95℃、时间3 h进行水热反应，待反应结束后冷却至室温取出，将反应余液倒出，并用去离子水清洗3次，干燥后，即在铜衬底上制备一层氧化锌纳米柱薄膜。图1是所制备的氧化锌纳米薄膜的X射线衍射图。图2a,图2b和图2c是扫面电子显微镜照片，分别对应放大倍数为10K,5K和1K。
实施例2，将0.02 mol Zn(NO3)2?6H2O溶于100 ml的去离子水中，通过手动搅拌配置成0.2 mol/L的澄清透明的硝酸锌溶液，然后逐滴加入1.5 ml的质量分数为28%的氨水，边加氨水边搅拌，使之形成澄清透明的溶液，然后，取约60 ml溶液移入耐高压水热釜的体积为100 ml的聚四氟乙烯内胆中，同时将清洗干净的铜片放入水热釜内胆，严密封紧好后置入干燥箱，控制温度80℃、时间3 h进行水热反应，待反应结束后冷却至室温取出，将反应余液倒出，并用去离子水清洗4次，干燥后，即在铜衬底上制备一层氧化锌纳米柱薄膜。图3a,图3b和图3c是所制备的氧化锌纳米柱的扫描电镜图，分别对应放大倍数为10K,5K和2K。
实施例3，将0.02 mol Zn(NO3)2?6H2O溶于300 ml的去离子水中，通过手动搅拌配置成0.067 mol/L的澄清透明的硝酸锌溶液，然后逐滴加入3 ml的质量分数为28%的氨水，边加氨水边搅拌，使之形成澄清透明的溶液，然后，取约60 ml溶液移入耐高压水热釜的体积为100 ml的聚四氟乙烯内胆中，同时将清洗干净的铜片放入水热釜内胆，严密封紧好后置入干燥箱，控制温度75℃、时间1.5 h进行水热反应，待反应结束后冷却至室温取出，将反应余液倒出，并用去离子水清洗4次，干燥后，即在铜衬底上制备一层氧化锌纳米柱薄膜。图4a,图4b和图4c是所制备的氧化锌纳米柱的扫描电镜图，分别对应放大倍数为50K,30K和10K。

Claims (9)

1.一种氧化锌纳米柱薄膜，其特征在于：该纳米薄膜的微观结构具有六角柱状，直径为50 ~ 200 nm，长度为1 ~ 3 μm，具有大面积均匀性，沉积在铜片上的薄膜厚度在3 ~ 5 μm。
2.一种如权利要求1所述的氧化锌纳米柱薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤为：将0.02 mol Zn(NO3)2?6H2O溶于50 ~ 300 ml的去离子水中，通过搅拌配置成一定浓度的透明的硝酸锌溶液，然后逐滴加入0.5 ~ 3 ml的质量分数为25% ~ 28%的氨水，边加氨水边搅拌，使之形成澄清透明的溶液，然后，取适量溶液移入耐高压水热釜的体积为30 ~ 100 ml的聚四氟乙烯内胆中，同时将清洗干净的铜片放入水热釜内胆，严密封紧好后置入干燥箱，控制温度70℃ ~ 100℃、时间1 h ~ 5 h进行水热反应，待反应结束后冷却至室温取出，将反应余液倒出，并用去离子水清洗数次，干燥后，即在铜衬底上制备一层氧化锌纳米柱薄膜。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：先驱物材料Zn(NO3)2?6H2O的纯度范围为99%~99.999%。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：配置溶液的搅拌是人工搅拌或磁力搅拌。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：逐滴加入0.5 ~ 3 ml的质量分数为25% ~ 28%的氨水时，在通风厨中进行快速滴加，且注意观察溶液出现白色沉淀的情况，以出现白色沉淀后又瞬间变澄清时停止滴加。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：将溶液移入耐高压水热釜的聚四氟乙烯内胆中时，以溶液体积占水热釜内胆的60%为宜。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：铜片需依次经过丙酮、酒精和去离子水超声清洗15分钟。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：水热反应结束后冷却至室温25℃。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：水热反应结束后冷却至室温取出后，铜片需经去离子水清洗3次以上，且样品干燥温度不超过60℃。
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