[發明專利]一種氧化鋅納米薄膜的原位合成方法

無效

• 申請號: 201110076456.2
• 申請日: 2011-03-29
• 公開（公告）號: CN102181850A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 李峰;范國利
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: C23C22/02
• 分類號: C23C22/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 何俊玲

技術領域

本發明涉及一種氧化鋅納米薄膜的原位合成方法，具體涉及一種直接生長在鋅基體上的氧化鋅納米薄膜的原位合成技術。

技術背景

ZnO作為一種新型的直接寬帶隙半導體材料，室溫下其禁帶寬度為3.37eV，室溫下激子結合能為60meV，使其成為理想的紫外波段的光電子器件材料，是繼GaN之后的十分有潛在應用前景的半導體材料。ZnO具有優異的光學、電學、光電、壓電、壓敏和氣敏等特性，被廣泛應用于光電子器件、太陽能電池、傳感器、催化劑、氣敏材料等。各種形態、維度的ZnO納米材料的制備和應用受到了人們普遍的關注，具有特殊性能的形貌各異的ZnO納米材料如ZnO量子點、納米帶、納米棒、納米線。納米管、納米環等被成功的制備出來。關于ZnO薄膜材料的研究開始于上世紀七十年代初期，ZnO薄膜的制備方法主要有分子束外延法，激光脈沖沉積法，溶膠凝膠法，原子層外延法，磁控濺射法，高質量的、具有高度取向性生長的ZnO薄膜主要是作為紫外光探測器、單片集成、表面聲波器件、發光顯示器件、氣敏傳感器、太陽能電池等領域。例如文獻Science?2001(292)：1897-1899中，楊培東等人在蘭寶石基底上制備一維的ZnO納米薄膜，并研究其在紫外光激發條件下的光致發光情況。在文獻Nature2005(4)：455-459中，楊培東等人又在導電玻璃基體上制備了性能優異的染料敏化太陽能電池。在文獻J.Phys.Chem.C?2010(114)：189-193中，Zhang等人采用電沉積的方法在Si基體表面制備出ZnO納米薄膜，并研究了該ZnO納米薄膜的場發射性能。在文獻Applied?SurfaceScience?2001(169-170)：521-524中，Jin等人利用激光脈沖法在蘭寶石基體表面制備出ZnO納米薄膜，并研究了制備條件對ZnO薄膜光致發光性能的影響。在文獻J.Am.Chem.Soc.2008(130)：14958-14959中，王中林等人采用兩步法，即現在Si基體或GaN基體表面引入籽晶，然后利用水熱法制備排列整齊的ZnO納米薄膜。在文獻J.Phys.Chem.C?2008(112)：990-995中，Fang等人重點研究了兩步法制備ZnO納米薄膜中，前期籽晶的引入對ZnO納米薄膜的結構的影響。在上述文獻中，ZnO納米薄膜的合成多采用兩步法，即先在一定的基體如Si、GaN、蘭寶石等基體表面引入籽晶，通過ZnO籽晶的大小和籽晶晶體生長的各異性來制備ZnO納米薄膜，在制備前要對基體進行一定的熱處理，以增強ZnO薄膜和基體間的結合力，防止ZnO膜層的脫落。同時在上述制備方法中，基體的價格昂貴，操作復雜，一定程度上限制了ZnO薄膜的應用。我們采用原位合成技術，以硼氫化鹽(M⁺BH₄)為堿性沉淀劑，以鋅片作為基體同時提供反應所需要的Zn²⁺源，在鋅基體表面直接合成ZnO納米薄膜，原料廉價、工藝簡單、能耗低、不污染環境，且采用原位合成技術，ZnO納米薄膜和基體之間的結合力較強，不易從基體脫落，因而具有廣泛的應用前景。

發明內容：

本發明的目的是提供一種氧化鋅納米薄膜的原位合成方法。在不引入籽晶的情況下，利用溶劑熱法，以鋅作為基體并提供氧化鋅生長所需的Zn²⁺源，以M⁺BH₄作為堿性沉淀劑，采用原位合成技術，在鋅基片表面一步制備高度規整的單晶ZnO納米薄膜，解決了以往制備的ZnO納米薄膜中原料價格昂貴，工藝復雜、結晶度差、需引入籽晶，以及膜層易從基體表面脫落等問題。通過調節反應體系中晶化時間和溫度，從而控制ZnO納米薄膜的大小及疏密程度。

具體制備方法如下：

A.將鋅片分別用去乙醇和丙酮超聲清洗10min，除去表面的雜質和油污，然后用去離子水沖洗干凈，烘干備用；

B.將NaBH₄或KBH₄溶于溶劑配制濃度為0.5-2mol/L的反應溶液，較佳的濃度為0.8-1.2mol/L；所述溶劑是乙醇與水的等體積混合溶液。

C.將預處理好的鋅片懸置于反應溶液中，120-200℃放置6-48小時，之后取出鋅片用乙醇清洗，自然干燥，得到在鋅片表面原位生長的ZnO納米薄膜。

步驟C中較佳的反應溫度是170-180℃，較佳的反應時間是20-24小時。