[發明專利]一種鋅-氧化鋅復合納米結構的制備方法

無效

• 申請號: 200810010342.6
• 申請日: 2008-02-03
• 公開（公告）號: CN101497127A
• 公開（公告）日: 2009-08-05
• 發明（設計）人: 劉暢;湯代明;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B22F1/02
• 分類號: B22F1/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及一種鋅-氧化鋅復合納米結構的制備方法，這種復合納米結構表現出優異的光電轉化性能。

背景技術

復合納米材料，特別是跨維度、跨體系的復合納米材料的設計和制備是當前納米科學的一個重要方向，也是實現納米器件重要基礎。氧化鋅是一種重要的直接帶隙寬禁帶半導體材料，它具有大的激子結合能、穩定、無毒等特點。氧化鋅納米結構一直是納米科學的熱點和前沿。除了在它已經普遍應用的陶瓷、染料和醫學方面，最近被發現的納米激光器、納米發電機以及良好光催化性質，進一步的激發了各國科學家對氧化鋅納米結構制備和應用的熱情。氧化鋅納米結構的制備已經有很多報道，例如熱蒸發法、化學氣相沉積方法，激光法等等。但是氧化鋅復合納米材料的報道比較少，而能實現器件功能的制備方面的報道就更少。

發明內容

本發明目的是提供一種直接在導電玻璃上生長鋅-氧化鋅復合納米結構的新方法。該方法制備的鋅-氧化鋅復合納米結構表現出優異的太陽能光電轉化性能。

本發明的技術方案是：

一種鋅-氧化鋅復合納米結構的制備方法，該方法采用高溫熱蒸發方法，以氧化鋅粉末為蒸發源和鋅源，氬氣為載氣，空氣為反應氣體，氧化鋅粉末在高溫區蒸發、分解成鋅蒸汽和氧氣，鋅蒸汽由載氣攜帶到低溫區氧化銦錫導電玻璃上聚集成鋅微米球，同時通過表面氧化、外延生長形成鋅-氧化鋅復合納米結構。

其中：

作為蒸發鋅源的高溫區溫度區間在1300～1500℃。

作為產物收集的低溫區溫度區間在200～400℃。

升溫速率為25～35℃/分鐘，反應時間為20～40分鐘。

氬氣流量在50～300毫升/分鐘，空氣流量在5～20毫升/分鐘。

采用本發明獲得的復合納米結構以及技術參數范圍為：鋅球直徑：3-20微米。氧化鋅納米棒直徑：50-500納米，長度：2-10微米。

本發明的有益效果如下：

1、本發明制備的鋅-氧化鋅復合納米結構，是鋅微米球和氧化鋅納米棒的復合，結合了金屬導電良好和半導體光電化學特性，并通過低溫沉積直接生長在導電玻璃基片上，可以直接構建光電化學器件，有利于材料的性能表證和應用研究。

2、本發明采用水平化學氣相沉積管式反應爐，以氧化鋅作為蒸發源；以氬氣作為載氣；氧化鋅高溫蒸發、分解，并由載氣攜帶到低溫區，通過鋅蒸汽凝聚、表面氧化、外延生長等過程形成一個由純鋅核心-氧化鋅納米棒外殼的復合納米結構，并沉積在預置的氧化銦錫(ITO)導電玻璃基片上。這種復合納米結構有機結合了金屬良好導電性與半導體優良的光電化學特性，從而表現出優異的太陽能光電轉化性能。

附圖說明

圖1.鋅-氧化鋅復合納米結構的制備裝置結構示意圖。其中，1為氧化鋅粉末，2為氧化銦錫(ITO)導電玻璃，3為熱電偶。

圖2.實施例一中所制備鋅-氧化鋅復合納米結構的掃描電鏡照片。其中，(a)和(b)分別為低倍和高倍圖像。

圖3.實施例一中所制備鋅-氧化鋅復合納米結構光電化學性能測試與比較結果。(i)：鋅-氧化鋅復合納米結構電極，75W氙燈；(ii)：作為參考材料的氧化鈦納米管陣列電極，75W氙燈；(iii)：鋅-氧化鋅復合納米結構電極，沒有光照。

圖4.實施例二中所制備鋅-氧化鋅復合納米結構的掃描電鏡照片。其中，(a)和(b)分別為低倍和高倍圖像。

圖5.實施例三中所制備鋅-氧化鋅復合納米結構的掃描電鏡照片。其中，(a)和(b)分別為低倍和高倍圖像。

具體實施方式

如圖1所示，本發明采用的裝置結構如下：

加熱裝置為水平管式爐，反應容器為30mm直徑的剛玉管，控溫和測溫通過插入爐中熱電偶3實現。在高溫區放置蒸發源氧化鋅粉末1，低溫區放置ITO導電玻璃2，升溫以后進入空氣和載氣，把蒸發、分解產生的鋅團簇運載到低溫區沉積在氧化銦錫(ITO)玻璃上。通過聚集成球，表面氧化、外延生長，形成鋅-氧化鋅復合納米結構。

本發明的機理是：根據鋅-氧相圖，以及氧化鋅的化學性質，高溫(超過1300℃)的惰性氣氛中，氧化鋅分解生成鋅和氧氣，在低溫區(低于鋅的熔點419℃)的氧化氣氛中，鋅與氧形成鋅-氧化鋅兩相共存的平衡狀態。首先鋅從氣相凝結成液相，并在氧化銦錫上形成液滴，并逐漸固化形成鋅的小球，同時鋅小球表面被氧化。由于鋅與新形成的氧化鋅之間的晶格常數不匹配，氧化鋅層會形成很多島狀結構，而后續由氣相中的鋅和氧形成的氧化鋅與這些小島狀結構有外延關系，最后形成核心是鋅球，外層為氧化鋅納米棒的復合結構。

實施例一