一種ZnO單晶納米管陣列的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種ZnO單晶納米管陣列的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]1991年日本科學(xué)家飯島澄男首次報道了碳納米管的發(fā)現(xiàn)(Iijima S.Helicalmicrotubules of graphitic carbon[J].nature, 1991，354 (6348): 56-58)，自此引發(fā)了人們對于這種管狀納米材料的強(qiáng)烈的研究熱情。納米管具有比納米棒更加突出的比表面積增強(qiáng)效果，這對于提高光化學(xué)和光物理過程的效率具有十分重要的意義。比如，高比表面積可以增強(qiáng)材料吸附化學(xué)物質(zhì)、吸收光和限制光散射的能力，有利于提高催化反應(yīng)的速度和對于光吸收的靈敏度(Vayssieres L, et al.Three-dimens1nal array of highly orientedcrystalline ZnO microtubes[J].Chemistry of Materials, 2001，13 (12):4395-4398)。人們也因此試圖去制備其它材料的管狀結(jié)構(gòu)，這其中，ZnO納米管成為了研究的熱點。ZnO是一種典型的直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，它在常溫下的禁帶寬度是3.37eV，具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，被廣泛地應(yīng)用于陶瓷、橡膠、涂料及光電子等領(lǐng)域。
[0003]目前制備ZnO納米管的方法主要包括金屬有機(jī)氣相沉積法(MOCVD) (Xu ff Z, etal.Quas1-aligned ZnO nanotubes grown on Si substrates[J].Applied PhysicsLetters, 2005，87 (9):093110)，兩步水熱合成法(Wei A, et al.Growth mechanism oftubular ZnO formed in aqueous solut1n[J].Nanotechnology, 2006,17 (6):1740)以及化學(xué)氣相沉積法(CVD) (Xing Y, et al.0ptical properties of the ZnOnanotubes synthesized via vapor phase growth[J].Applied PhysicsLetters, 2003, 83 (9): 1689-1691)。然而以上的方法都具有不同程度的局限性。比如，MOCVD法中使用的設(shè)備和原料十分昂貴；兩步水熱合成法過程復(fù)雜繁瑣，產(chǎn)品結(jié)晶度不佳；CVD法得到的ZnO納米管是混亂倒伏排列的，只適合利用微加工工藝組裝成基于單根ZnO納米管的器件，這種器件的信號很微弱，而且微加工工藝難度大、耗時長。在本發(fā)明中，我們首次利用簡單和經(jīng)濟(jì)的熱蒸發(fā)方法制備了 ZnO單晶納米管陣列，得到的ZnO納米管形貌和結(jié)構(gòu)均勻、排列整齊、結(jié)晶度高，是太陽能電池、紫外光電探測器、化學(xué)/生物傳感器等器件的理想材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個目的在于提供一種ZnO單晶納米管陣列的制備方法。本發(fā)明制備方法經(jīng)濟(jì)便捷，使用的原料便宜，且只需通過一步加熱反應(yīng)即可完成，獲得不同尺寸和分布密度的ZnO單晶納米管。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0006]—種ZnO單晶納米管陣列的制備方法，是采用熱蒸發(fā)法制備得到的。
[0007]優(yōu)選地，熱蒸發(fā)法制備ZnO單晶納米管陣列包括如下步驟:
[0008]I)取鋅粉放入容器中，再將容器和襯底放入管式爐中；
[0009]2)對管式爐抽真空，充入壓縮空氣；
[0010]3)將管式爐升溫，反應(yīng)結(jié)束后使管式爐自然降溫；
[0011]4)取出襯底，襯底上所得生長物即為ZnO單晶納米管陣列。
[0012]優(yōu)選地，步驟I)中，所述鋅粉的純度為99.9%以上。
[0013]優(yōu)選地，步驟I)中，所述襯底為金屬網(wǎng)、硅片、石英片或藍(lán)寶石片中的一種。
[0014]更優(yōu)選地，所述金屬網(wǎng)為鉬網(wǎng)或鎳網(wǎng)。
[0015]優(yōu)選地，步驟I)中，所述容器置于管式爐的加熱區(qū)，并使鋅粉位于管式爐的高溫加熱區(qū)；所述襯底置于加熱區(qū)下游。
[0016]優(yōu)選地，步驟I)中，所述襯底位于鋅粉下方0-20cm處。
[0017]優(yōu)選地，步驟2)中，所述抽真空是指將管式爐內(nèi)壓強(qiáng)降至0.1-1OPa ;所述充入壓縮空氣是指將10-30SCCm的壓縮空氣通入管式爐中，控制管內(nèi)壓強(qiáng)在10-200Pa。
[0018]優(yōu)選地，步驟3)中，所述升溫是指將管式爐加熱區(qū)升溫至550-900°C，升溫速率為10-250C /min ;所述反應(yīng)時間為0.5-2小時。
[0019]本發(fā)明的有益效果如下:
[0020]本發(fā)明首次利用熱蒸發(fā)法方法制備了整齊排列的ZnO單晶納米管陣列。納米管陣列具有鮮明的中空結(jié)構(gòu)和突出的比表面積增強(qiáng)效果。
[0021]本發(fā)明的制備方法經(jīng)濟(jì)便捷且操作簡單，使用的原料為便宜的鋅粉，及低成本的壓縮空氣，無需催化劑，只需將原料和襯底放入管式爐中，通過一步加熱反應(yīng)即可完成，且反應(yīng)產(chǎn)物隨著溫度的不斷上升，氣流的不斷充入而得到。
[0022]本方法可控性強(qiáng)且重復(fù)性高，通過控制加熱溫度、管內(nèi)壓強(qiáng)和空氣流速，可以穩(wěn)定得到不同尺寸和分布密度的ZnO單晶納米管。
[0023]本發(fā)明得到的ZnO單晶納米管管壁薄、結(jié)晶性高、排列整齊，在太陽能電池、光催化、生物和氣體傳感器等領(lǐng)域中具有廣泛的研究價值和應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0025]圖1中，(a)示出實施例1的ZnO單晶納米管陣列的低倍掃描電子顯微鏡(SEM)圖像；(b)示出實施例1的單根ZnO單晶納米管的SEM圖像。
[0026]圖2示出實施例1的ZnO單晶納米管陣列的能量色散X射線光譜儀(EDX)圖譜。
[0027]圖3示出實施例1的ZnO單晶納米管陣列的X射線衍射(XRD)圖譜。
[0028]圖4中，(a)示出實施例1的ZnO單晶納米管的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖像；(b)示出實施例1的ZnO單晶納米管的選取電子衍射(SAED)圖像。
[0029]圖5示出實施例1中的ZnO單晶納米管陣列光催化降解甲基橙溶液的降解率與光照時間的曲線，使用的光源為30mW紫外燈，光源波長254nm。
【具體實施方式】
[0030]為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031]實施例1
[0032]—種ZnO單晶納米管陣列的制備方法，步驟如下:
[0033]1.稱取Ig純度為99.9%的鋅粉放入陶瓷舟中，然后將陶瓷舟放在管式爐的加熱區(qū)，確保鋅粉位于加熱區(qū)的高溫加熱區(qū)；
[0034]2.將襯底鉬網(wǎng)放在加熱區(qū)下游距鋅粉5cm處；
[0035]3