[發明專利]一種錐形氧化鋅亞微米棒及其陣列的制備方法

有效

• 申請號: 201110224413.4
• 申請日: 2011-08-05
• 公開（公告）號: CN102912436A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 王兵;江鵬;王中林
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B29/62;C30B23/00;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 郭廣迅

技術領域

本發明涉及一種亞微米棒氧化鋅材料的制備方法，特別是涉及一種采用高溫氣相蒸鍍法制備具有亞微米尺寸的六方錐形的氧化鋅亞微米棒的方法。

背景技術

氧化鋅(ZnO)是一種重要的II-IV族直接寬帶隙半導體材料(其禁帶寬度為3.37eV)，在室溫下具有較大的激子束縛能(60meV)，能在室溫及更高溫度下受激產生近紫外的短波長光。自從1997年觀測到其納米微晶結構的薄膜在室溫下光泵受激紫外發射后，己經迅速成為短波半導體激光發射材料研究的國際熱點。

與普通ZnO相比，亞微米ZnO展現出許多優異和特殊的性能，如在壓電性能、近紫外發射、透明導電性、生物安全性和適應性等，使得其在壓電材料、紫外光探測器、場效應管、表面聲波、太陽能電池、氣體傳感器、生物傳感器等領域擁有廣闊的應用前景。

氧化鋅又是一種同時具有半導體和壓電雙重性質的功能材料，具有良好的導電、導熱和化學穩定性。在所有的材料中，氧化鋅的結構和性質是最豐富的，其豐富的結構和性質使得氧化鋅在光學、光電、傳導、傳感、以及生物等不同領域有許多潛在的應用，如光子晶體、光發射二極管、光探測器、光敏二極管、氣體傳感器、太陽能電池、光電器件、傳感器和光催化等。到目前，氧化鋅亞微米棒、納米管、納米環以及海膽狀、骨狀、羽毛狀形貌和結構等已經通過溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法、電化學沉積法等多種方法成功制備。當前，尋求氧化鋅的新結構、新性質和新的應用領域己成為材料研究重點之一。尤其，一維氧化鋅微/納結構己經吸引了更多人的關注，主要是因為其展現出來的近紫外發射，光透性，電導性，壓電性等。此外，一維氧化鋅微/納米棒陣列己經成為傳感器，場發射，太陽能電池和表面聲波導等應用方面的重要選擇，這也激發了許多人利用多種方法制備一維氧化鋅微、納米結構的興趣。

目前，人們雖然已能夠合成具有不同形狀的氧化鋅納米結構以及氧化鋅亞微米棒聚集體，但是，所使用的方法局限于化學和物理氣相沉積，這種方法很難實現產業化生產。即便有一些研究者利用化學方法制備了氧化鋅亞微米棒的聚集體，但是所獲得的結構和亞微米線的尺寸很難控制。此外，可工業化量產級別的氧化鋅亞微米棒的控制制備也沒有很好的解決辦法。

由于錐形氧化鋅亞微米棒可以作為一種高效的壓電發電材料，因此與其相關的合成方法的開發正在成為研究熱點。傳統的濕化學合成方法很難對錐形形貌進行控制。目前迫切需要一種簡單的合成錐形氧化鋅亞微米棒的方法。

發明內容

本文中所使用的術語，除非另外指出，是根據其常規的用法來使用：

如本文所使用的，術語“亞微米”是指尺寸為100nm-50μm；

如本文所使用的，術語“六方錐形”是指類似于六棱柱形狀，上下頂面平行，六條側棱的延長線可以匯聚一點，六個側面也不平行的形狀；

如本文所使用的，術語“高純”是指物質的純度在99.999％以上。以下實驗用的氣體都是高純氣體。

本發明的目的在于：提供一種簡單的合成錐形氧化鋅亞微米棒的方法，在高溫反應中調節通入氧氣的進氣速率，將會產生一種六方錐形的氧化鋅亞微米棒，所制備的氧化鋅亞微米棒的表面無表面活性劑包裹，該制備方法通過控制反應條件，可以實現單個氧化鋅亞微米棒直徑和長度的可控調節。例如，在不同的進氣速率改變的條件下，單根六方錐形氧化鋅亞微米棒的兩端的直徑在1-2微米和5-10微米，長度在30微米-50微米范圍。

一方面，本發明提供了一種制備六方錐形氧化鋅亞微米棒或其陣列的方法，所述方法包括以下步驟：

1)稱取氧化鋅和碳粉，將其混合形成反應物，放入容器中；

2)將硅片洗凈，并放置在步驟1)所述容器的上方，所述硅片與所述容器之間的距離為1-8毫米；

3)將步驟1)中的容器和步驟2)中的硅片放入反應爐內，并且使硅片所處位置位于反應爐的正中心；

4)抽真空，使反應爐以10-20℃/min升溫，同時以50-150sccm的量來通入氮氣，反應需要40-60min并升溫至950-1050℃，且升溫過程中保持壓強在1-12kPa(10-120mbar)；

5)當溫度達到950-1050℃，停止通入氮氣，以50-100sccm的量通入氧氣，通入時間為20-40min，并且在通入的過程中使氧氣的通入量以1-5sccm下降或上升，待反應結束后停止通入氧氣，自然冷卻，即得六方錐形氧化鋅亞微米棒或其陣列。

優選地，在所述方法的步驟5)中，所述溫度達到960-980℃，優選為980℃。