ZnO纳米阵列合成

ZnO纳米阵列的水热合成

摘要

水热合成技术是指在特制的密封反应器(高压釜)中，以水溶液作为反应体系，通过对反应体系的加热至或接近其临界温度而产生高压，从而进行无机材料的合成与制备的一种有效方法“吲。该方法可使一些在常温常压下反应速率很慢的热力学反应在水热条件下实现反应快速化。在水热条件下，水既作为溶剂又作为矿化剂，在液态或气态还是传递压力的媒介，同时由于在高压下绝大多数反应物均能部分溶解于水从而促使反应在液相或气相中进行。水热反应有水热氧化、热沉淀、水热合成、水热还原、水热分解、水热结晶等类型。水热反应法为各种前驱物的反应和结晶提供了一个在常压条件下无法得到的、特殊的物理和化学环境。水热反应的温度一般在100—400。C，压力从大于0．1Mpa直至几十到几百Mpa。与其它粉体制备方法相比，水热合成纳米材料的纯度高、晶粒发育好，避免了因高温煅烧和球磨等后续处理引起的杂质和结构缺陷。水热法的原料成本相对较低，所得纳米颗粒纯度高，分散性好，晶型好，且大小可控，因而水热合成法是制备纳米氧化物的好的方法之一.

关键词：

目录

1、绪论

ZnO 属于带隙较宽( 室温下3. 37eV) 的半导体材料, 由于本征缺陷的存在, 使得ZnO 往往具有的N 型导电性。与其它传统半导体材料如Si、GaAS、CdS、GaN 等相比, ZnO 具有高的激子束缚能( 高达60meV,远大于GaN 的21~ 25meV) 、高的击穿强度和饱和电子迁移速率, 可用作高温、高能、高速电子器件。另外,ZnO 还具有热电效应和化学传感特性, 在传感器领域有重要的应用。纳米级氧化锌由于粒子尺寸小, 比表面积大, 具有表面效应、量子尺寸效应和小尺寸效应等, 与普通氧化锌相比, 表现出许多特殊的性质, 如无毒和非迁移性、压电性、吸收和散射紫外线能力。这一新的物质形态,赋予了氧化锌在科技领域许多新的用途。目前来说, 制备ZnO 纳米结构的工艺方法很多,如物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法, 分子束外延法、热蒸发法、阳极氧化铝模板法、水热法等等。这些方法制备的ZnO 纳米材料具有非常丰富的结构形貌, 如ZnO 纳米线、纳米带、纳米环、纳米梳, 四脚状纳米ZnO 结构等等。相对而言, 化学溶液方法比较简单。水热法是一种制备氧化物的湿化学方法。水热法又称高温溶液法, 是指在特制的密闭反应器( 高压釜) 中, 采用水溶液作为反应体系, 通过对反应体系加热,在反应体系中产生一个高温高压的环境进行无机合成与材料制备的一种有效方法。在水热法中, 由于水处于高温高压状态, 在反应中具有传媒剂作用; 另一方面, 高压下绝大多数反应物均能完全( 或部分) 溶解于水, 从而加快反应的进行。近年来, 由于其相对于其它方法具有能耗低、适用性广、可控性强、产率高、物相均匀、纯度高、结晶良好以及环境污染小等优点, 引起了人们越来越广泛的关注。在本文中, 我们采用ZnCl2 溶液和浓氨水( 25%) ,利用一种简单的水热法合成了

ZnO 纳米阵列。对得到的样品的形貌和结构用扫描电子显微镜( SEM)和X 射线衍射仪(XRD) 表征, 并测试了ZnO 纳米阵列的光致发光特性。根据实验结果对ZnO 纳米阵列的形成过程和机理进行了有效的分析。并简单介绍了纳米花、纳米椭圆、纳米片、纳米柱、多脚状ZnO等纳米结构形成的原理和方法。

2、实验内容

2.1.1ZnO 棒状纳米阵列的制备

首先在300 e 的条件下在Si( 100) 片上磁控溅射1层厚度约为300nm 的ZnO 缓冲层, 作为ZnO 纳米棒的生长衬底。将适量浓氨水( 25%) 加入70ml 的ZnCl2 ( 0. 05mol/ L) 溶液中, 调整溶液的pH 值到10. 0, 作为反应溶液。将衬底垂直浸入反应溶液, 装入反应釜密封后置于温度为95 e 的恒温水浴锅中。反应时间分别为2、3、4、5h, 下文中将其分别称为1~ 4#样品。

2.1.1ZnO 管状纳米阵列的制备

将铜片( 纯度为99. 99% ) 垂直浸入反应溶液( 配置方法同ZnO 纳米棒制备实验) , 装入反应釜密封后置于温度设定为95 e 的恒温水浴锅中。经过2. 5h 加热后取出反应釜, 置于温度设定为45 e 的恒温水浴锅中冷却。取冷却时间为1. 5、2. 5、3. 5h 的样品, 分别命名为5~ 7# 样品。

ZnO 纳米结构的表面形貌用Sirion FEG 扫描电子显微镜

( SEM) 来表征, 样品的晶体结构采用D8X 射线衍射( XRD) 分析。光致发光的光源为He2Cd325nm 单模激光器, 激发功率为35mW

2.2 ZnO 纳米结构样品的表征

图1( a) 所示的SEM 图像是ZnO 纳米阵列的生长衬底,可见纳米阵

列呈棒状,它是在

Si( 001) 片上磁

控溅射有1 层厚

度约为300nm 的

ZnO 作为缓冲层。

从图1 中可以清

楚地看到, 1 层

ZnO 缓冲层很牢

固而且致密地分

布在Si 片上图

1( b) 所示的是该

衬底的XRD 图谱,

可以看到基本上

只呈现( 002) 峰,

而且相对强度很

强, 说明磁控溅

射的氧化锌缓冲

层具较好的c 轴取向性。

图2 分别是1、2、3、4# 样品的SEM 图像, 可以看到,随着反应时间的增加, ZnO 纳米阵列的长度和直径都有所增大, 说明反应所处的温度、pH 值等条件是ZnO纳米阵列生长的适合环境。同时还可以看到, 当反应时间较短时( 如图2( a) ) , ZnO 纳米阵列

的顶端较圆, 并没有行成完整的六棱柱结构, 而反应时间较长时( 如图2( d) ) , 绝大多数的ZnO 纳米阵列已经生长成为较完整的六棱柱结构。从图2 中还可以很直观地看出, ZnO 纳米阵列在各个生长阶段都排列得很整齐, 具有很好的有序性, 而这一特点将在图3 中得到更好地证明。1~ 4# 样品显示出几乎相同的XRD 图谱( 如图3) , 可以看到图中( 002) 峰的相对强度非常强, 其它峰几乎没有, 将图3 与图1( b) 比较后还可以看出, ZnO纳米阵列与衬底的衍射峰值在相同的角度位置, 而且相对强度大于衬底的相对强度, 说明在晶格适配的情况下, ZnO 纳米棒阵列生长的取向性非常好, 都是沿c 轴方向纵向生长形成。