CN103943778A - 一种交叉纳米纤维p-n异质结阵列的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于交叉纳米纤维制备技术领域，涉及一种交叉纳米纤维P-N异质结阵列的制备方法，先在三维可调低压近场原位静电纺丝装置的收集极上沉积一层纤维数目和间距可控的P型或N型的纳米纤维阵列，然后将收集极旋转一定角度，再用三维可调低压近场原位静电纺丝装置沉积一层N型或P型有序排列的纳米纤维阵列，在收集极上得到交叉纳米纤维P-N异质结阵列；其制备方法简单，原理科学可靠，效率高，精度控制准确，易于大规模生产，环境友好。

Description

一种交叉纳米纤维P-N异质结阵列的制备方法
技术领域：
本发明属于交叉纳米纤维制备技术领域，特别涉及一种精确、快速组装纳米纤维交叉结构P-N异质结阵列的方法，特别是一种交叉纳米纤维P-N异质结阵列的制备方法。
背景技术：
纳米技术在电子器件中的应用即微纳电子学已逐渐成为目前纳米科技研究的热点之一，根据文献报道，目前科研人员已经制备出了基于零维纳米颗粒（例如单个有机分子、量子点、C60）、一维纳米纤维（例如单根碳纳米管、有机或无机半导体纳米纤维/纳米管）、二维纳米薄膜（例如石墨烯）的多种纳米器件（例如二极管、三极管、传感器等），特别是一维纳米纤维/纳米管为能够有效传输电荷的最小维度结构，同时担当导线和器件单元的角色。由于P-N结是构筑复杂半导体器件的基础，除构建基于单根纳米纤维以及同质材料纳米纤维阵列的电子器件，科研人员也致力于组装不同材料构成的纳米纤维P-N异质结，纳米纤维P-N异质结主要有三种：一是轴向结构，即纳米纤维的一端是P型的，另一端是N型的；二是径向结构，即P（或N）型纳米纤维的外面包裹着一层N型（或P）半导体，构成同轴复合纳米纤维；三是交叉结构，P型和N型纳米纤维交叉形成。以纳米纤维交叉结构P-N异质结为例，不同类型纳米纤维形成交叉结构往往可以表现出同质材料所不具备的独特电学、光学和化学性质，例如美国哈佛大学Lieber课题组[Nature409,66(2001);Science291,851(2001);Science294,1313(2001)]利用流体定向组装、电场定向组装等技术自下而上组装了多种交叉结构P-N异质结纳米线（P型Si纳米线，N型InP、GaN、CdS和CdSe纳米线）器件和电路，例如纳米发光二极管[Small1,142(2005)]、交叉纳米线场效应晶体管、纳米逻辑门、纳米计算机[www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1323818111]等；除常见的无机半导体纳米线，也可用有机晶体纳米线构建交叉结构P-N异质结电子逻辑电路[Advanced Materials21,4234(2009)]。尽管纳米纤维交叉结构P-N异质结更容易加工成纳米发光二极管、整流二极管、场效应晶体管等单个纳米器件，并比较容易组装形成简单的逻辑电子电路（例如“与”门、“或”门、“非”门等），在复杂的纳米电子器件方面更有应用前景，但是由于单个纳米纤维交叉结构P-N异质结器件离实用化的纳米电子电路还有相当的距离，如何将单个P-N异质结纳米器件大规模、精确、有序组装起来实现功能电路依然是一个挑战。目前组装纳米纤维交叉结构P-N异质结的方法包括微流体定向组装、电场或磁场辅助组装、L-B膜技术、微探针和光镊技术，这些组装方法存在组装效率低、不能精确控制的问题。此外，中国专利（专利号：ZL201010184093.X）公开了一种定向电化学沉积法原位制备导电聚合物纳米线交叉结构异质结，该方法效率较低，难以规模化制备。
静电纺丝是一种简单有效、利用静电场较大规模制备均匀、连续的超细纤维的技术，通过对传统静电纺丝装置进行改进，可以对制备的电纺纤维的形貌结构进行调控，例如，申请人提出的离心静电纺丝装置（专利号：ZL201010184068.1）和双框架收集静电纺丝装置（专利号：ZL201110137420.0）可以制备有序排列结构、交叉结构、螺旋缠绕结构等电纺纤维。虽然上述改进的电纺装置可以快速组装交叉结构纤维，由于纺丝头和收集板的距离较远（几厘米至十几厘米），纳米纤维在收集板上的沉积位置、沉积纤维的根数、平行纤维之间的距离、交叉纳米纤维的角度等还不能精确控制。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种利用三维可调的低压近场原位静电纺丝技术精确、快速地制备交叉纳米纤维P-N异质结阵列的方法，可原位组装有机—有机、有机—无机、无机—无机多种材料的纳米纤维交叉结构异质结，推动导电聚合物、有机晶体、金属和无机半导体等纳米纤维异质结纳米器件和电子逻辑电路的发展。
为了实现上述目的，本发明在三维可调低压近场原位静电纺丝装置中实现，其具体制备过程为：
（1）、ZnO纺丝前驱体溶液配制：将8.5克无水乙醇和1.5克聚乙烯吡咯烷酮（PVP）在室温下混合搅拌2-4小时，获得均质透明的15wt%PVP溶液；再将1.0克醋酸锌、2.0克无水乙醇、0.2克蒸馏水混合加热至60-80℃搅拌8-12分钟得到混合溶液，固体完全溶解后将混合溶液全部转移到已配制好的15wt%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液中，在室温下搅拌50-70分钟使两种溶液充分混合，即获得ZnO纺丝前驱体溶液；
（2）、电纺ZnO纳米纤维阵列：在收集极上电纺一层有序排列的ZnO前驱体纳米纤维阵列，调整喷丝头与收集极的距离为1-2毫米，收集极的水平移动速度为50-100厘米/秒，纺丝电压为1-2千伏，流量控制泵的速为度50-100微升/小时；然后将收集极在600-700℃下热处理3-4小时去除有机成分，在收集极上得到ZnO纳米纤维阵列；
（3）、PEDOT纺丝前驱体溶液配制：将1.0克PVP粉末、3.0克重量百分比为2.8wt%PEDOT/PSS（聚（3,4-二氧乙基噻吩）-聚苯乙烯磺酸）的水溶液和2克无水乙醇混合，然后加入0.2克二甲基亚砜，在室温下磁力搅拌4-6小时，使溶液混合均匀，获得均一的PEDOT纺丝前驱体溶液；
（4）、电纺PEDOT—ZnO交叉纳米纤维异质结阵列：将沉积有ZnO纳米纤维阵列的收集极旋转0-180度，然后再在收集极上电纺一层有序排列的PEDOT纳米纤维，电纺条件与步骤（2）相同，得到PEDOT—ZnO交叉纳米纤维P-N异质结阵列。
本发明涉及的三维可调低压近场原位静电纺丝装置的主体结构包括流量控制泵、喷丝头、高压电源、计算机和收集极；喷丝头分别与流量控制泵和高压电源的正极电连接，流量控制泵控制喷丝头内前驱体溶液的流速，高压电源为喷丝头提供纺丝电压；收集极设置在喷丝头下方0.5-5毫米处，收集极分别与计算机和高压电源的负极电连接，计算机控制收集极的运动，收集极采用SiO2/Si衬底。
本发明与现有技术相比具有以下特点和优点：一是静电纺丝过程由计算机控制，保证电纺纤维的精确、快速沉积以及沉积纤维的数目和间距；二是电纺纤维可选取多种P型和N型材料进行组装，可根据需要构建有机—有机、有机—无机、和无机—无机异质结，保证P-N交叉异质结的灵活性和多样性；三是可根据需要任意制作n×m的交叉结构P-N异质结阵列器件，构成可编址传感器或简单的逻辑电子电路；其制备方法简单，原理科学可靠，效率高，精度控制准确，易于大规模生产，环境友好。
附图说明：
图1为本发明涉及的三维可调低压近场原位静电纺丝装置的主体结构原理示意图。
图2为本发明制备交叉纳米纤维P-N异质结阵列的流程原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图做进一步说明。
实施例：
本实施例采用三维可调低压近场原位静电纺丝装置实现交叉纳米纤维P-N异质结阵列的制备，以导电聚合物PEDOT（聚3,4-二氧乙基噻吩，p型有机半导体）和ZnO（n型金属氧化物无机半导体）为原料制备交叉纳米纤维P-N异质结阵列，其具体制备过程为：
（1）、ZnO纺丝前驱体溶液配制：将8.5克无水乙醇和1.5克聚乙烯吡咯烷酮（PVP）在室温下混合搅拌2-4小时，获得均质透明的15wt%PVP溶液；再将1.0克醋酸锌、2.0克无水乙醇、0.2克蒸馏水混合加热至60-80℃搅拌8-12分钟得到混合溶液，固体完全溶解后将混合溶液全部转移到已配制好的15wt%PVP溶液中，在室温下搅拌50-70分钟使两种溶液充分混合，即获得ZnO纺丝前驱体溶液；
（2）、电纺ZnO纳米纤维阵列：在收集极上电纺一层有序排列的ZnO前驱体纳米纤维阵列，调整喷丝头与收集极的距离为1-2毫米，收集极的水平移动速度为50-100厘米/秒，纺丝电压为1-2千伏，流量控制泵的速为度50-100微升/小时；然后将收集极在600-700℃下热处理3-4小时去除有机成分，在收集极上得到纯的ZnO纳米纤维阵列；
（3）、PEDOT（聚（3,4-二氧乙基噻吩））纺丝前驱体溶液配制：将1.0克PVP粉末、3.0克重量百分比为2.8wt%PEDOT/PSS（聚（3,4-二氧乙基噻吩）-聚苯乙烯磺酸）的水溶液和2克无水乙醇混合，然后加入0.2克二甲基亚砜，在室温下磁力搅拌4-6小时，使溶液混合均匀，获得均一的PEDOT纺丝前驱体溶液；
（4）、电纺PEDOT—ZnO交叉纳米纤维异质结阵列：将沉积有ZnO纳米纤维阵列的收集极旋转90度，然后再在收集极上电纺一层有序排列的PEDOT纳米纤维，电纺条件与步骤（2）相同，得到PEDOT—ZnO交叉纳米纤维P-N异质结阵列。
本实施例涉及的三维可调低压近场原位静电纺丝装置的主体结构包括流量控制泵1、喷丝头2、高压电源3、计算机4和收集极5；喷丝头2分别与流量控制泵1和高压电源3的正极电连接，流量控制泵1控制喷丝头2内前驱体溶液的流速，高压电源3为喷丝头2提供纺丝电压；收集极5设置在喷丝头2下方0.5-5毫米处，收集极5分别与计算机4和高压电源3的负极电连接，计算机4控制收集极5的运动，收集极5采用SiO2/Si衬底。
本实施例采用上述方法也可以精确、快速组装其它有机—无机、无机—无机和有机—有机纳米纤维交叉结构异质结阵列，例如PEDOT—TiO2、PEDOT—BaTiO3、P型导电聚苯胺或聚吡咯—N型ZnO、TiO2或BaTiO3以及P型ZnO—N型TiO2或BaTiO3。
本实施例对制备的PEDOT—ZnO交叉纳米纤维P-N异质结阵列进行微电极加工和性能测量，交叉纳米纤维异质结阵列微电极加工的方法主要有两种：一是先在收集极上制作好金属微电极阵列，然后用低压近场原位静电纺丝装置在微电极之间精确沉积交叉纳米纤维；二是先在收集极上沉积好交叉纳米纤维阵列，然后再用微加工技术制作金属微电极；在此基础上，可以制作单个交叉结构P-N异质结器件，直接测量并研究单个交叉结构P-N异质结器件的电学、光电和传感性能；此外，可制作n×m的交叉结构P-N异质结阵列，例如二极管和晶体管阵列构成可编址传感器或简单的逻辑电子电路。

Claims (2)

1.一种交叉纳米纤维P-N异质结阵列的制备方法，其特征在于在三维可调低压近场原位静电纺丝装置中实现，其具体制备过程为：
（1）、ZnO纺丝前驱体溶液配制：将8.5克无水乙醇和1.5克聚乙烯吡咯烷酮在室温下混合搅拌2-4小时，获得均质透明的15wt%聚乙烯吡咯烷酮溶液；再将1.0克醋酸锌、2.0克无水乙醇、0.2克蒸馏水混合加热至60-80℃搅拌8-12分钟得到混合溶液，固体完全溶解后将混合溶液全部转移到已配制好的15wt%聚乙烯吡咯烷酮溶液中，在室温下搅拌50-70分钟使两种溶液充分混合，即获得ZnO纺丝前驱体溶液；
（2）、电纺ZnO纳米纤维阵列：在收集极上电纺一层有序排列的ZnO前驱体纳米纤维阵列，调整喷丝头与收集极的距离为1-2毫米，收集极的水平移动速度为50-100厘米/秒，纺丝电压为1-2千伏，流量控制泵的速为度50-100微升/小时；然后将收集极在600-700℃下热处理3-4小时去除有机成分，在收集极上得到ZnO纳米纤维阵列；
（3）、PEDOT纺丝前驱体溶液配制：将1.0克聚乙烯吡咯烷酮粉末、3.0克2.8wt%的聚（3,4-二氧乙基噻吩）-聚苯乙烯磺酸水溶液和2克无水乙醇混合，然后加入0.2克二甲基亚砜，在室温下磁力搅拌4-6小时，使溶液混合均匀，获得均一的PEDOT纺丝前驱体溶液；
（4）、电纺PEDOT—ZnO交叉纳米纤维异质结阵列：将沉积有ZnO纳米纤维阵列的收集极旋转0-180度，然后再在收集极上电纺一层有序排列的PEDOT纳米纤维，电纺条件与步骤（2）相同，得到PEDOT—ZnO交叉纳米纤维P-N异质结阵列。
2.根据权利要求1所述的交叉纳米纤维P-N异质结阵列的制备方法，其特征在于涉及的三维可调低压近场原位静电纺丝装置的主体结构包括流量控制泵、喷丝头、高压电源、计算机和收集极；喷丝头分别与流量控制泵和高压电源的正极电连接，流量控制泵控制喷丝头内前驱体溶液的流速，高压电源为喷丝头提供纺丝电压；收集极设置在喷丝头下方0.5-5毫米处，收集极分别与计算机和高压电源的负极电连接，计算机控制收集极的运动，收集极采用SiO2/Si衬底。
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CN103943778B (zh) 2016-08-17

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