CN105839189A - 一种二维原子层厚度ZnO单晶纳米片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二维原子层厚度ZnO单晶纳米片，所述原子层厚度的ZnO纳米片是采用热蒸发法制备获得，相比于其它的ZnO纳米片，本发明的二维原子层厚度ZnO单晶纳米片厚度更薄、结晶性更好，更便于剥离使用。本发明还公开了二维原子层厚度ZnO单晶纳米片的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将锌粉、衬底放入管式炉中；(2)打开机械泵，对管式炉抽真空，充入压缩空气；(3)设定升温程序，反应后自然降温；(4)取出样品，衬底上生长了原子层厚度的ZnO纳米片。该方法制备步骤简单、耗时少、重复性高。

Description

一种二维原子层厚度ZnO单晶纳米片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体材料的技术领域。更具体地，涉及一种二维原子层厚度ZnO单晶纳米片及其制备方法。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子构成的二维蜂窝状的纳米材料，由于独特的二维结构，石墨烯具有令人惊异的电学和力学性质。目前，石墨烯在高速电子器件、能源制造和存储器件等领域已经得到了广泛的运用。随着对石墨烯研究的深入，类石墨烯二维层状材料也开始进入人们的视野，例如二维金属硫族化合物(MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂)、h-BN等，这些层状材料与石墨烯一样，层与层之间由范德华力连接，容易被打断，所以能够获得独特的单层结构。

二维材料独特的性质引发了人们对获得非层状材料二维结构的强烈热情。近两年来，研究人员利用插层离心法(Sun Y,Sun Z,Gao S,et al.Fabricationof flexible and freestanding zinc chalcogenide single layers[J].Naturecommunications,2012,3:1057)、表面活性剂自组装法(Sun Z,Liao T,Dou Y,etal.Generalized self-assembly of scalable two-dimensional transition metal oxidenanosheets[J].Nature communications,2014,5)获得了ZnSe、过渡金属氧化物(TiO₂、ZnO、Co₃O4、WO₃、MnO₂)的超薄结构，也有人用CVD(化学气相沉积)的方法做出了尝试，获得了厚度为1至100nm的Si纳米片(Kim S W,Lee J,Sung J H,et al.Two-Dimensionally Grown Single-Crystal SiliconNanosheets with Tunable Visible-Light Emissions[J].ACS nano,2014)。目前这方面的探索还处于早期的阶段，相关的文献不多，制备方法、适用性和可控性都不成熟。

ZnO是重要的II-VI族宽带隙半导体材料，室温下带隙为3.37eV，激子束缚能高达60MeV，无毒无味，原料来源广泛，同时它具有优良的荧光性能、化学稳定性能、紫外吸收性能以及导电导热性能。这些特点使ZnO在太阳能电池、紫外探测器、气敏传感器等领域有着很好的应用前景。ZnO为纤锌矿的六方晶体结构，容易沿c轴择优取向生长成一维材料，例如ZnO纳米棒(Wang X,Wang X,Summers C J,et al.Large-scale hexagonal-patterned growthof aligned ZnO nanorods for nano-optoelectronics and nanosensor arrays[J].NanoLetters,2004,4(3):423-426)、ZnO纳米带(Pan Z W,Dai Z R,Wang Z L.Nanobelts of semiconducting oxides[J].Science,2001,291(5510):1947-1949)、ZnO纳米管(Martinson A B F,Elam J W,Hupp J T,et al.ZnO nanotube baseddye-sensitized solar cells[J].Nano letters,2007,7(8):2183-2187)，一维ZnO纳米材料也是ZnO研究的热点。相比于一维结构，二维超薄ZnO具有更大的比表面积，光催化活性更高，同时，超薄结构赋予了ZnO很多原子层面和电子层面的新奇的变化。据我们所知目前还没有大面积制备单原子层ZnO单晶片的报道，几个原子层厚的也很少见，而且并不是自由方便剥离的，但是已有不少针对超薄ZnO的模拟计算，指出原子层厚度的ZnO在磁学(Wang Y,DingY,Ni J,et al.Electronic structures of fully fluorinated and semifluorinated zincoxide sheets[J].Applied Physics Letters,2010,96(21):213117)、力学(Kaewmaraya T,De Sarkar A,Sa B,et al.Strain-induced tunability of opticaland photocatalytic properties of ZnO mono-layer nanosheet[J].ComputationalMaterials Science,2014,91:38-42)、电学(Kou L,Li C,Zhang Z,et al.Tuningmagnetism in zigzag ZnO nanoribbons by transverse electric fields[J].ACS nano,2010,4(4):2124-2128)等方面具有很多独特的特点。所以无论从理论方面还是实用方面，发展制备大面积原子层厚度的ZnO单晶纳米片的方法都具有重要的意义。

因此，需要提供一种二维原子层厚度ZnO单晶纳米片及其制备方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种二维原子层厚度ZnO单晶纳米片，相比于其它的ZnO纳米片，本发明的二维原子层厚度ZnO单晶纳米片厚度更薄、结晶性更好，更便于剥离使用。

本发明的另一个目的在于提供一种二维原子层厚度ZnO单晶纳米片的制备方法，该方法制备步骤简单、耗时少、重复性高。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种二维原子层厚度ZnO单晶纳米片，所述ZnO单晶纳米片厚度为0.5nm-2nm。

由于纳米片的每一片都是单晶，因此所述ZnO单晶的结晶度为100％。

优选地，所述原子层厚度的ZnO纳米片是采用热蒸发法制备获得的。

一种二维原子层厚度ZnO单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：

1)取锌粉放入容器中，然后将容器放在管式炉的加热区；

2)将衬底放在锌粉正上方；

3)管式炉抽真空，充入压缩空气；

4)管式炉升温，待反应结束后使管式炉自然降温；

5)取出产物，衬底上生长了大面积的原子层厚度的ZnO纳米片。

优选地，步骤1)所述述锌粉的纯度大于99.9％。

优选地，步骤2)所述衬底选自金属网、硅片、陶瓷片、石英片或者蓝宝石片；更优选地，所述金属网选自钼网或镍网。

优选地，步骤3)所述抽真空是指将管式炉内压强降至0.1-10Pa；所述充入压缩空气是指将20-80sccm的压缩空气通入管式炉中，控制管内压强在100-1000Pa。

优选地，步骤4)所述的升温是指将管式炉加热区升至550-850℃，升温速率为15-25℃/min，所述反应时间为0.5-2小时。

本发明的有益效果如下：

本发明首次利用CVD方法制备了大面积原子层厚度的ZnO单晶纳米片；

本发明的ZnO单晶纳米片面积大、结晶性好、厚度超薄；

本发明的制备方法操作简单，耗时短，只需将原料、衬底放入管式炉中，通入压缩空气，设定升温程序，一步反应即可实现。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1(a)示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的低倍扫描电子显微镜(SEM)图像；

图1(b)示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的放大SEM图像；

图1(c)示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的能量色散X射线光谱仪(EDX)图谱。

图2示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的原子力显微镜(AFM)图像以及高度信息图。

图3(a)示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的低倍透射电子显微镜(TEM)图像；

图3(b)示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像；

图3(b)中的插图是实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的选区电子衍射(SAED)图像。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

1.称取1.5g锌粉(纯度为99.9％)放入陶瓷舟中，然后将其放在管式炉的加热区；

2.将衬底钼网放在锌粉正上方；

3.打开机械泵，待炉内压强降至0.1Pa时，将50sccm的压缩空气通入管式炉中，压强控制在400pa；

4.将管式炉加热区升至650℃，升温速度为20℃/min，反应时间为2小时；

5.反应结束，待管式炉内自然降温至室温后，取出样品，衬底上生长了大面积的原子层厚度的ZnO纳米片。

图1(a)示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的低倍扫描电子显微镜(SEM)图像，从该图可知，纳米片大面积均匀生长；

图1(b)示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的放大SEM图像，从该图可知，纳米片表面平整，具有厚度超薄的半透明特征；

图1(c)示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的能量色散X射线光谱仪(EDX)图谱，从该图可知，纳米片由Zn元素和O元素组成；

图2示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的原子力显微镜(AFM)图像以及高度信息图，从该图可知，ZnO单晶纳米片的厚度小于1nm，具有原子层级的厚度。

图3(a)示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的低倍透射电子显微镜(TEM)图像，从该图可知，ZnO单晶纳米片表面光滑，边缘平整；

图3(b)示出实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像，从该图可知，ZnO纳米片沿着[0001]和[01-10]方向生长；图3(b)中的插图是实施例1的原子层厚度ZnO单晶纳米片的选区电子衍射(SAED)图像，从该图可知，ZnO纳米片呈现出单晶衍射花样，结晶性很好，纳米片的每一片都是单晶，即ZnO单晶的结晶度为100％。

实施例2

1.称取1.2g锌粉(纯度为99.9％)放入陶瓷舟中，然后将其放在管式炉的加热区；

2.将衬底硅片放在锌粉正上方；

3.打开机械泵，待炉内压强降至2Pa时，将30sccm的压缩空气通入管式炉中，压强控制在300pa；

4.将管式炉加热区升至550℃，升温速度为15℃/min，反应时间为1.5小时；

5.反应结束，待管式炉内自然降温至室温后，取出样品，衬底上生长了大面积的原子层厚度的ZnO纳米片。

实施例3

1.称取1g锌粉(纯度为99.9％)放入陶瓷舟中，然后将其放在管式炉的加热区；

2.将衬底蓝宝石片放在锌粉正上方；本发明采用镍网、硅片、陶瓷片或石英片衬底均能达到相同的效果。

3.打开机械泵，待炉内压强降至8Pa时，将60sccm的压缩空气通入管式炉中，压强控制在800pa；

4.将管式炉加热区升至800℃，升温速度为25℃/min，反应时间为1.5小时；

5.反应结束，待管式炉内自然降温至室温后，取出样品，衬底上生长了大面积的原子层厚度的ZnO纳米片。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种二维原子层厚度ZnO单晶纳米片，其特征在于：所述ZnO单晶纳米片厚度为0.5nm-2nm。

2.根据权利要求1所述的二维原子层厚度ZnO单晶纳米片，其特征在于：所述原子层厚度的ZnO纳米片是采用热蒸发法制备获得的。

3.如权利要求1或2所述的二维原子层厚度ZnO单晶纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)取锌粉放入容器中，然后将容器放在管式炉的加热区；

2)将衬底放在锌粉正上方；

3)管式炉抽真空，充入压缩空气；

4)管式炉升温，待反应结束后使管式炉自然降温；

5)取出产物，衬底上生长了大面积的原子层厚度的ZnO纳米片。

4.根据权利要求3所述的二维原子层厚度ZnO单晶纳米片的制备方法，其特征在于：步骤1)所述述锌粉的纯度大于99.9％。

5.根据权利要求3所述的二维原子层厚度ZnO单晶纳米片的制备方法，其特征在于：步骤2)所述衬底选自金属网、硅片、陶瓷片、石英片或者蓝宝石片；优选地，所述金属网选自钼网或镍网。

6.根据权利要求3所述的二维原子层厚度ZnO单晶纳米片的制备方法，其特征在于：步骤3)所述抽真空是指将管式炉内压强降至0.1-10Pa；所述充入压缩空气是指将20-80sccm的压缩空气通入管式炉中，控制管内压强在100-1000Pa。

7.根据权利要求3所述的二维原子层厚度ZnO单晶纳米片的制备方法，其特征在于：步骤4)所述的升温是指将管式炉加热区升至550-850℃，升温速率为15-25℃/min，所述反应时间为0.5-2小时。