三步法制备ZnO花状微结构疏水性薄膜
ZnO薄膜材料的制备工艺设计
在富氧条件下生长的ZnO膜有可能出现立方相的ZnO晶体，这将导致阴极发 光光谱的能量向高能端(即紫外段)移动。PEcVD方法的优点是生长过程中稳定 性较好，表面平整有利于在sAw方面的应用。但其室温阴极发光光谱不单一， 存在紫外和绿光两个发光带，不利于制作单色发光器件。MOCVD是一种异质 外延生长的常用方法，利用MOCvD系统可以生长出高质量的znO薄膜。其沉积 过程中的压强一般为O．8—1．3Pa，本底压强非常低。但使用MOcVD法生长 znO薄膜对衬底的温度均匀性要求较高，但存在一个严重不足的问题，锌源与 氧在末到衬底以前，就开始反应，造成腔壁污染，形成的微粒进入ZnO薄膜， 降低了薄膜的质量。因此需要尽可能改善气体输入的位置及限制其气相反应。 燃烧化学气相沉积法是一种开放的、在大气中进行的气相沉积工艺。先将先 驱体溶解于可燃烧的溶剂中，然后用泵加压输送，并混入O：，使其在基片附 近燃烧沉积。沉积过程可通过调节基片温度、先驱体浓度及组成、气溶胶大 小、溶剂的组成及沉积范围等来加以控制。最大特点是无需真空反应室。
1. 1. 3 气敏压敏元件
ZnO薄膜光电导性随表面吸附的气体种类和浓度不同会发生很大变化. 据此特 点, ZnO 薄膜可用来制作表面气敏器件,通过掺入不同元素,可检测不同的气体, 其敏感度用该气体环境下电导G与空气中电导G0 的比值G /G0 来表示.H. Y. Bae、 G. L. Tan等人用Sol– ge1分别合成了ZnO薄膜气敏元件,其对CO、H2 和CH4等均 有较高的敏感度. 实验表明:配制的前体溶液pH值越小,薄膜对CH4 敏感程度越 高. 而掺Sn、Al形成的ZnO: Sn、ZnO: A1薄膜可检测乙醇蒸汽,且在675 K下敏感 度最高, G /G0 = 190.另外, ZnO 薄膜在室温下就能产生较强的紫外受激辐射, 特 别是它的激子结合能高达60MeV,在目前常用的半导体材料中首屈一指,这一特 性使它具备了室温下短波长发光的有利条件. 浙江大学已用PLD 法在硅衬底上 制得性能优良的ZnO 薄膜,并直接用平面磁控溅射制备了叉指状电极,在波长从 340 nm到400 nm的连续光谱光线照射下, ZnO 光导型紫外探测器有很明显的光 响应特性,其截止波长为370 nm.
纳米ZnO薄膜的制备
纳米ZnO薄膜的制备
一、ZnO前驱体的制备
1、实验仪器：25 mL三口烧瓶一个、150 ℃量程的温度计一支、24口冷凝管一根、油浴锅一个、磁力搅拌器、陶瓷加热台；
2、实验试剂：甲基硅油、二水乙酸锌（Zn ( CH3COO ) 2 ·2H2O）、乙醇胺、乙二醇甲醚；
3、实验步骤：
①称量二水乙酸锌1.0975 g
乙醇胺0.3 mL 0.5 mol/L ZnO前驱体
乙二醇甲醚10 mL
在三口烧瓶中将称量好的二水乙酸锌溶解于乙二醇甲醚中，再加入与二水合乙酸锌等摩尔的乙醇胺作为稳定剂；
②冷凝管里从下往上通以冷却水，把烧瓶置于盛有甲基硅油的油浴锅中，在80 ℃下回流2小时；
将烧瓶空冷至室温之后，再在磁力搅拌机上搅拌12小时，再用有机系滤头过滤，得到的就是ZnO前驱体。
二、ZnO薄膜的制备
①将玻璃片清洗干净（丙酮15min、碱液20 min、去离子水10min、异丙醇15min），置于旋涂机上；把陶瓷加热台置于通风橱中，并预先升至200 ℃；
②将过滤好的（可以在要用的时候才过滤，因为比较稳定）ZnO前驱体溶液滴满玻片表面，在转速为3000 r下旋转40 s；
③直接将旋涂好的玻片置于加热台上（可以用锡箔纸包覆，以免污染薄膜表面），反应1小时；此时薄膜应为淡紫色;
④将玻片置于齿状架上，先后放入丙酮、异丙醇中超声约5-7 min，测得薄膜粗糙度大约为2-3 nm。
三步法制备ZnO花状微结构疏水性薄膜
花 状 微 结 构 疏 水 性 薄 膜 ．首 先 用 ｓｌ ｅ 法 在 普 通 玻 璃 衬 底 上 生 长 ＳＯ ｏ— ｌ ｇ ｉ 薄 膜 ， 后 进 行 磁 控 溅 射 生 长 籽 晶层 ， 在 其 上 然 再 利 用 水 热 法 制 备 出 微 米 量 级 和 微 纳 复 合 的 ２种 不 同 的 Ｚ Ｏ 花 状 微 结 构 的 均 匀 薄 膜 ， 有 机 修 饰 后 ， 有 不 同 程 度 的 疏 ｎ 经 具
用 正硅 酸 乙 酯 （ ＴＯ ） 乙 醇 （ ｔ Ｅ Ｓ、 Ｅ ＯＨ） 去 离 、 子 水 以及 盐 酸 为原 料 ， ３： 按 ４：３： ． ３ （ 积 ００５体 比） 比例混 合 ，用 磁力 搅 拌 机搅 拌 １ｈ 得 均 匀 的 ，
透 明溶 胶 ．以清 洗 过 的玻 璃 基 片 为 衬底 ， 浸 渍 用
微 结 构 的均匀 薄膜 ， 一种 为微 米量 级 的结构 ， 一种
仅 直接 影 响 自然 界 中动 植 物 的 各 种 生命 活 动 ， 而 且 在人 类 的 日常生 活 、 工农 业 生 产 和 科学 技 术 中 起 着重 要作 用．浸 润性 可 以用 固体 表 面上 的接触 角 来衡 量 ， 们 通 常 把 接 触 角 小 于 ９ 。 固体 表 人 Ｏ的
的疏 水能力 ．
２ 实 验பைடு நூலகம்
在本实 验 中 ， 三步 法制 备 出 Ｚ Ｏ疏 水性 薄 用 ｎ 膜 ： 为 ＳＯ 分 ｉ 基底 薄 膜 的制 备 ｎ 籽 晶 层 的制 ＺＯ 备 ，ｎ Ｚ Ｏ微 米 花 的 制 备 或 Ｚ Ｏ 微 纳 复 合 花 的 制 ｎ 备 ．最 后 用 有 机 物对 Ｚ Ｏ 微 结 构 的表 面 进 行 了 ｎ 修 饰．
面称 为亲水 表 面 ， 于 ９ 。 大 Ｏ 的表 面 称 为疏 水 表 面 ， 超 过 １ ０ 的称 为超 疏 水表 面．由于超疏 水 性表 面 ５。
ZnO薄膜的制备与性能研究
ZnO薄膜的制备与性能研究ZnO是众所周知的一种半导体材料，近年来，它的应用领域不断扩大，包括光电技术、传感器技术、气敏技术、生物技术等领域。
其具有较高的透明度、电阻率、热稳定性和高电子迁移率等优异特性，使得其在各个领域中拥有巨大市场前景。
在这些应用中，ZnO薄膜则是ZnO材料的重要组件之一。
本文主要探讨ZnO 薄膜的制备及其性能研究。
一、ZnO薄膜制备方法1.溶胶-凝胶法ZnO薄膜制备的一种常见方法为溶胶-凝胶法。
该方法主要涉及将预先制备好的ZnO溶胶放置于合适的基底上，然后通过热退火的方式完成ZnO薄膜的制备。
使用该方法，可以获得良好的薄膜质量和较大的薄膜面积，同时可以随意控制薄膜厚度。
2.物理气相沉积法物理气相沉积法是ZnO薄膜制备中最常用的方法之一。
其主要通过采用物理气相沉积设备将高温气体通入反应室，然后将蒸汽通过传输管道沉积在基底上完成ZnO薄膜的制备。
该方法具有制备ZnO晶体中空气杂质较少、晶粒精细等显著的优点。
3.MBE法MBE法是利用分子束外延设备在超高真空环境下生长晶体的方法。
该方法制备的ZnO薄膜具有非常高的晶体质量。
然而，需要难以实现的极限条件，如超高真空环境和较高的晶体表面温度。
二、ZnO薄膜性能研究1.光电性能ZnO薄膜是光学和电学交叉的半导体薄膜。
关于ZnO薄膜的光学性能，已有许多研究。
例如，有研究人员证实了ZnO条纹薄膜在光学上具有比等宽薄膜更高的透射比，这是由于条纹薄膜的形态依赖性的折射率引起的。
此外，ZnO薄膜具有优越的光电转换性能，可用于太阳能电池、传感器等领域。
2.气敏性能ZnO薄膜的气敏性能是其另一个重要的应用领域，具有广泛的市场前景。
研究表明，ZnO薄膜的气敏性能受到薄膜厚度、沉积温度和掺杂类型等多个因素的影响。
例如，掺杂ZnO薄膜的气敏性能不仅可以提高灵敏度，还可以增加电阻率等方面的特性。
3.化学性质关于ZnO薄膜的化学性质，研究人员通常需要从其表面性质、表面反应等多个方面进行分析。
微-纳米复合结构ZnO薄膜的制备及其浸润性的研究
ｆｌ ｓ ｓ ｒ ｔ ｒ ｓ ｉ ｍ ’ ｔ ｕｃ ｕ ｅ 样 品 名称 ＨＦ浓度 加 入 ＨＦ后 Ｚ Ｏ ｎ Ｓ ＥＭ 图 片
质 表面 构 建 粗 糙 结 构 。在 此 基 础 上 发 展 的 制 备 方 法
有 ： 胶 凝 胶 法 、 蚀 法 、 ＶＤ 法 ］ 模 板 法 ］ 溶 刻 Ｃ ｕ、
体 的表 面具有 疏水性 ； 接触 角 ＞ １ ０ ， 称该 固体 表 面 ５ 。则 具有 超疏 水性 ； 反之 ， 当接触 角 ＜ ９ 。则称 该 固体 表 面 ０，
具有 亲水性 ［ 。由于疏 水性 表 面在 应 用领 域 （ ： １ ］ 如 防
的正 己烷 溶 液 中浸 泡 ２ ｈ后 取 出 晾干 ， ４ 以降低 薄膜 的
离子 水依 次超声处 理 １ ｍｉ， 后 用去 离子 水 冲洗 ， ０ ｎ然 并 置 于干燥 箱 中干燥 。
分别 取 ２ ｍｌ 度 为 ０ １ ｌＬ 的 硝 酸 锌 和 ０ １ ０ 浓 ． ｍｏ／ ．
文章编 号 ：０ １９ ３ （０ ０ ０ 一 １ 溶 液 混 合 ， 磁 力搅 拌器 充 分 搅 ｌＬ ６次 用 拌 。搅 拌过 程 中 往上 述 混 合 溶 液 中滴 加 一 定 量体 积 分数 为 ５ 的 氢 氟 酸 溶 液 ， 定 溶 液 的 ｐ 值 （ 表 测 Ｈ 见 １ ， 继续 搅 拌 １ ｍｉ， 为 制 备 Ｚ Ｏ 的 反 应 溶 液 。 ）并 ０ ｎ作 ｎ
zno的用途及其薄膜的制备方法
zno的用途及其薄膜的制备方法一、ZnO的用途。
1.1 在橡胶工业中的作用。
ZnO在橡胶工业里那可是相当重要的角色啊。
它就像是一个小助手，能起到硫化促进的作用。
想象一下，橡胶如果没有它，就像一辆没有润滑油的汽车，运转起来磕磕绊绊的。
有了ZnO，橡胶的硫化过程就变得更加顺畅高效，能够大大提高橡胶的硬度、强度等性能，让橡胶制品更加耐用，不管是汽车轮胎还是橡胶鞋底，都离不开它这个得力助手呢。
1.2 在涂料中的用途。
在涂料领域，ZnO也有它的用武之地。
它就像一个保护神一样。
ZnO具有良好的遮盖力和着色力，加到涂料里，能让涂料更好地遮盖墙面或者物体表面的瑕疵。
而且啊，它还具有一定的抗菌性能呢，就像给涂料注入了一股神奇的力量。
涂有含ZnO涂料的墙面，就像穿上了一层坚固又抗菌的铠甲，不容易被细菌侵蚀，能够保持墙面的干净整洁，特别适合用于医院、学校等对卫生要求比较高的场所。
1.3 在电子工业中的应用。
在电子工业这个大舞台上，ZnO可是个闪闪发光的明星。
它具有半导体的特性，这就像是它拥有了一种特殊的魔法。
可以用于制造压敏电阻、晶体管等电子元件。
比如说压敏电阻吧，ZnO在其中就起着关键的作用，当电路中的电压发生变化时，它能像一个灵敏的卫士一样，迅速做出反应，保护电路不被过高的电压损坏，这对整个电子设备的稳定运行来说，那可是至关重要的，缺了它可不行啊。
二、ZnO薄膜的制备方法。
2.1 化学溶液法。
化学溶液法就像是一场化学的魔法烹饪。
把含有锌离子的溶液，通过各种化学试剂的配合，在合适的温度、浓度等条件下，让锌离子慢慢沉淀或者反应，最后在基底上形成ZnO薄膜。
这个过程就像小火慢炖一锅汤一样，需要耐心地控制各种参数。
不过这种方法成本相对比较低，就像在路边摊吃到美味的小吃一样，虽然简单但却实惠，适合大规模的生产一些对薄膜质量要求不是特别高的产品。
2.2 物理气相沉积法。
物理气相沉积法就显得比较高大上了。
它有点像把锌原子像发射子弹一样，射到基底上形成薄膜。
实验八 ZnO纳米薄膜的制备
实验八ZnO纳米薄膜的制备一、实验目的1、了解纳米薄膜的常用制备方法。
2、掌握络合-聚合法制备ZnO溶胶方法。
3. 掌握浸渍-提拉法和旋涂法制备薄膜的工艺流程。
二、实验原理络合-聚合溶胶-凝胶法液相化学工艺的络合-聚合法制备薄膜是常用的一种化学制备薄膜方法，合成温度低，产物组成均匀，晶粒细小易控制，而且粒径分布很均匀。
金属离子首先与柠檬酸络合形成溶胶，加入聚乙二醇通过缩聚反应形成聚酯网络的过程。
通过浸渍-提拉法和旋涂法在玻璃基片上沉积薄膜。
随温度升高，凝胶膜中的柠檬酸和聚乙二醇发生分解，放出大量气体，产生较大体积收缩，形成Zn-O非晶薄膜。
通过热处理，薄膜中的非晶态转化成细小的晶粒，便形成了ZnO纳米晶薄膜。
三、实验仪器及试剂仪器：磁力搅拌器，干燥箱，箱式电阻炉，烧杯，量筒，培养皿，表面皿。
试剂：乙酸锌，柠檬酸，聚乙二醇，蒸馏水。
四、实验步骤1. ZnO溶胶制备准确称取0.01mol的乙酸锌（分子量220），室温下将其溶解在40ml的蒸馏水中，磁力搅拌，待其全部溶解后，将0.01mol柠檬酸溶解在其中，继续搅拌，待柠檬酸完全溶解后，边搅拌边加入3g聚乙二醇，溶解后继续搅拌2h。
2. ZnO薄膜的制备将玻璃基片放在盛有蒸馏水的烧杯中超声清洗后，放在干燥箱中干燥后备用。
1）将玻璃基片放在涂膜机上，以一定速率高速旋转，用塑料吸管吸取ZnO溶胶逐滴滴到旋转的玻璃基片上，关闭涂膜机，将玻璃基片放到100℃的干燥箱中干燥10min，在空气中冷却后，重复上述操作3次以增加膜层厚度。
镀完最后一层膜后，再在100℃下干燥30 min。
最后放入电阻炉中以2～3℃/min升温至600℃后保温1h，随炉冷却至室温，得到ZnO纳米薄膜。
2）将干燥洁净的玻璃基片快速浸入配制好的溶胶中，静置10s后，以6cm/min 的提拉速度垂直向上提拉基片，然后立即放人温度为100℃的烘箱中干燥10min，在空气中冷却后，重复上述操作3次以增加膜层厚度。
zno纳米结构薄膜的水溶液法制备与研究
zno纳米结构薄膜的水溶液法制备与研究一、ZNO纳米结构薄膜的概述大家都知道，现在这个科技飞速发展的时代，材料科学也成了一个大热门话题。
说到材料，你可能会想起钢铁、水泥这些硬邦邦的东西，谁能想到，咱们今天聊的这个ZNO纳米结构薄膜，听起来有点高大上吧。
实际上，它是一种基于氧化锌（ZnO）纳米材料制成的薄膜。
说到这，你可能会问：“氧化锌是什么东西？这玩意儿能做什么？”它不仅仅是我们常见的防晒霜中的成分，还是很多高科技领域的重要材料，比如光电器件、传感器，甚至是太阳能电池的核心材料呢。
这个ZNO薄膜，可以说是电子、光学领域里的“香饽饽”了。
咱们接着说，它之所以这么受欢迎，最重要的一个原因就是它的纳米结构。
你看，纳米材料的特点就是粒子小，表面积大，功能性特别强。
ZNO纳米结构薄膜就像一张超薄的“网”，这种薄膜不仅能有效地吸收光能，还能让电荷更容易在里面流动。
简单来说，它不光能“吸光”，还能够“导电”。
这就是为什么它在许多电子器件中被看重的原因。
二、水溶液法的制备方法听到水溶液法，你可能会想：“这不就是溶解在水里的东西吗？”对的，水溶液法就是利用水作为溶剂，把锌源溶解成水溶液，然后在特定的条件下让它们沉淀下来，最后得到一层ZNO薄膜。
这种方法，别看它简单，实际上却有很多讲究。
水溶液法的优势就是操作简单，成本低，而且容易控制。
想象一下，你在厨房做菜，往锅里加水，再慢慢地加入各种调料，这个过程就是水溶液法的一个缩影。
你只需要调好水溶液的浓度、温度、pH值等参数，最后得到的ZNO薄膜就能在你想要的大小、厚度和结构下“乖乖”长出来。
别看它这么简单，水溶液法的控制性可是非常强的。
你可以通过调节溶液的成分，控制ZNO薄膜的形态，比如它的晶粒大小、形状、排列方式等等。
要是你想让它做成一个一模一样的纳米颗粒排列，就得好好掌握其中的“诀窍”。
这种方法的另一个好处是它的环境友好，毕竟咱们都是在水里“泡”出来的，不像一些其他的制备方法需要用到那些复杂的化学品，既安全又环保。
电泳沉积法制备超疏水ZnO薄膜
第38卷增刊 人 工 晶 体 学 报 Vol .38S pecial Editi on 2009年8月 JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS August,2009 电泳沉积法制备超疏水Zn O 薄膜何新华1,2,陈志武1,2,李 茂1,罗 磊1(1.华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640;2.湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室,湘潭411105)摘要:采用电泳沉积法在I T O 导电玻璃基片上制备超疏水Zn O 薄膜,研究了电流强度、沉积时间和缓冲层对薄膜的晶相、显微结构、透光度和润湿性的影响。
利用SE M 和XRD 表征薄膜的表面形貌和晶相组成。
结果表明:所沉积的薄膜主要由Zn O 和Zn (OH )2两相组成,在空气中放置一段时间后全部转变为Zn O 相,电泳沉积膜是由Zn O 纳米晶片无序排列组成的网状结构。
电流强度和缓冲层对薄膜的形貌影响较大,较高的电流强度可获得大孔洞的网状结构,涂覆Zn O 缓冲层显著改善了薄膜的均匀性。
关键词:Zn O;电泳沉积;疏水性;网状结构中图分类号:O647 文献标识码:A 文章编号:10002985X (2009)S120137204Preparati on of Super 2hydrophobi c ZnO Fil m s by Electrophoreti c Depositi onHE X in 2hua 1,2,CHEN Zh i 2w u 1,2,L I M ao 1,LUO L ei 1(1.College of Materials Science &Engineering,South China University of Technol ogy,Guangzhou 510640,China;2.Key Laborat ory of Low D i m ensi onalMaterials &App licati on Technol ogy of M inistry of Educati on,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China )Abstract:Super 2hydr ophobic ZnO fil m s were fabricated on conductive I T O glass substrates byelectr ophoretic depositi on (EP D ).The effect of current density,depositi on ti m e and buffer layer on thecrystal phase,m icr ostructure,trans m ittance and wettibility were investigated .Surface mor phol ogy andphase compositi on were characterized by SE M and XRD.The results indieated the as 2deposited fil m smainly consist of ZnO and Zn (OH )2t w o phase,and Zn O phases were co mp letely for med after exposing t othe air f or a l ong ti m e .Zn O fil m s were reticular structures with random arrange ment of nano crystalp lates .Current density and buffer layer have great effect on the mor phol ogy of ZnO fil m s .Reticularstructures with large gap s are obtained at a large current density,and ZnO coated buffer layer wouldenhance the unifor m ity of as 2deposited Zn O fil m s re markably .Key words:Zn O;electr ophoretic depositi on (EP D );hydr ophobicity;reticular structure基金项目:广东省科技计划项目(2007A010500012);华南理工大学国家大学生创新性实验计划(B092Y9080040);低维材料及其应用技术教育部重点实验室开放课题资助课题(KF0701)作者简介:何新华(19692),女,河北省人,博士,副教授。
用水热法制备超疏水性ZnO纳米棒薄膜
用水热法制备超疏水性ZnO纳米棒薄膜公茂刚;许小亮;杨周;刘玲;李华;张晗【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2008(039)011【摘要】采用简单的水热法制备了超疏水性ZnO纳米棒薄膜,在用磁控溅射在Si(111)衬底上生长一层ZnO籽晶层的基础上,利用水热法制备了空间取向一致的ZnO纳米棒阵列,经修饰后由亲水性转变为超疏水性.用扫描电子显微镜、X射线衍射对样品表面和结构特征进行了表征,用接触角测量仪测出水滴在ZnO纳米棒薄膜表面的接触角为(160±1)°,滚动角为5°.【总页数】3页(P1906-1908)【作者】公茂刚;许小亮;杨周;刘玲;李华;张晗【作者单位】中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026【正文语种】中文【中图分类】O647.5;O647.11【相关文献】1.S掺杂ZnO纳米棒的水热法制备及其性能研究 [J], 张蕾;2.水热法制备ZnO纳米棒及其电池性能的研究 [J], 王艳香;陈凌燕;孙健;李家科;杨志胜;黄丽群3.水热法制备TiO2-ZnO纳米棒分级结构及其光电性能研究 [J], 孙宝;张赛;杜静文;郝彦忠;裴娟;李英品4.水热法制备ZnO纳米棒薄膜及其机理 [J], 刘宽菲;武卫兵;陈晓东;陈宝龙;张楠楠5.水热法制备Co掺杂ZnO纳米棒的及其光学性能分析 [J], 刘丽丽;刘巧平;李琼;耿雷英因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
不同微观形貌的zno薄膜的制备及其表征
不同微观形貌的zno薄膜的制备及其表征一、不同微观形貌的ZnO薄膜的制备1、水热法制备ZnO薄膜水热法是一种常用的制备ZnO薄膜的方法，它主要是以过渡金属化合物为前驱体，在水热条件下进行热处理而生成ZnO薄膜。
其制备步骤如下：（1）将镍磁性载体放入水中，加入适量的氨水，然后再加入经过混匀的Zn(NO3)2·6H2O溶液，搅拌至溶液变得浑浊；（2）将溶液加热至100℃，保持温度维持30min；（3）将溶液冷却至室温，然后将其过滤，洗涤几次后晾干；（4）将上述过滤洗涤后的样品加热至400-500℃，维持2h，即可生成ZnO薄膜。
2、溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜溶胶-凝胶法是一种制备有机-无机复合薄膜的方法，也可以用于制备ZnO薄膜。
其制备步骤如下：（1）将Zn(NO3)2·6H2O和溶剂（如乙醇）混合搅拌至无明显沉淀，得到溶胶液；（2）将上述溶胶溶液放入采用水溶性表面活性剂制备的乳液中，然后搅拌均匀，使溶胶溶液充分混合，以得到溶胶-凝胶液；（3）将上述混合液滴在固定的基板上，然后在室温下晾干，经过低温烘干（60℃），即可得到ZnO薄膜。
3、PVD法制备ZnO薄膜 PVD（Physical Vapor Deposition）是一种物理蒸镀技术，可以利用原子态或分子态的物质，以真空方式到达指定表面，并形成薄膜。
其制备步骤如下：（1）将已装载ZnO粉末的真空管放入真空容器中，并对真空室进行精确真空；（2）使用直流供电或激光加热，将ZnO粉末熔化；（3）将熔化的ZnO粉末快速沉积在温度控制的表面上，形成ZnO薄膜。
二、不同微观形貌的ZnO薄膜的表征1、X射线衍射（XRD）表征 X射线衍射是一种常用的表征薄膜晶体结构的方法，其原理是通过观察薄膜表面所反射的X射线，来判断薄膜晶体结构的种类及其结构参数。
XRD表征可以证明薄膜表面的晶体结构是否是ZnO，也可以检测出晶体结构的晶粒大小、晶格常数和晶体的晶面等参数。
ZnO薄膜的制备
氧化锌薄膜的制备及应用0前言ZnO作为一种宽带隙半导体材料,近几年来已经成为国际上紫外半导体光电子材料和器件领域的研究热点。
ZnO薄膜是一种具有广泛应用前景的材料，国际上也涌现出许多以ZnO 为研究重点的科研小组，开展了许多相关的科研工作。
氧化锌薄膜作为一种优异的光电和压电相结合的电子信息材料，它在压电转换，光电显示以及集成电子器件等方面有广泛的应用。
拥有优良的压电特性，一直在SAW器件中的到应用。
此外还可用作紫外光探测器，发光器件，传感器件，太阳能电池的透明电极等。
1 ZnO 的晶体结构ZnO为II －VI族化合物，具有六角纤锌矿型( hexagonal wurtize )［1］或立方闪锌矿型( zinc blende)［2］晶体结构，均属六方晶系p63mc 空间群。
室温和常压下，ZnO的热稳定相为六角纤锌矿结构。
当压强达9GPa左右时，纤锌矿结构的ZnO 转化为四方岩盐结构( rocksalt) ，原子配位数由4 增加到6，体积相应缩小17%。
而立方闪锌矿结构的ZnO只有在立方结构的衬底上生长才可能得到。
如图1 所示:图1 ZnO 的晶体结构在理想六角纤锌矿结构ZnO 的元胞中晶格常数a和c满足c /a = 1. 633。
由于掺杂以及生长条件的不同，实际测得的c 和a 的数值以及c /a 的值和理论值有一定的出入。
在ZnO 晶体结构中，Zn、O 各自组成六方密集堆积结构的子格子，两种子格子延C轴平移0. 385nm形成复格子结构。
每个Zn原子与最近邻的四个O 原子构成一个四面体结构; 同样，每个O原子和最近邻的四个Zn原子也构成一个四面体结构。
四面体并非严格对称，在C轴方向上，Zn原子与O原子之间的距离为0. 196nm。
Zn －O 键是典型的SP3杂化，由于Zn 和O 的电负性差别较大，Zn －O 键是极性的。
2ZnO薄膜的性质2.1 光电特性ZnO薄膜是直接带隙半导体，具有很好的光电性质，对紫外光有较为强烈的吸收，在可见光区，光透过率接近90%。
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第28卷 第9期2008年9月物 理 实 验PH YSICS EXPERIMENT ATIONV ol.28 N o.9 Sep.,2008收稿日期:2008-05-17;修改日期:2008-06-06基金项目:安徽省自然科学基金(N o.070414187)及国家基础科学人才培养基金(N o.J0630319/J0103)资助项目 作者简介:马 恺(1987-),男,河北保定人,中国科学技术大学物理系本科生.通讯作者:许小亮(1960-),男,江苏南京人,中国科学技术大学物理系教授,博导,从事功能材料的研究与教学工作.E -mail:x lx u@实验与应用三步法制备ZnO 花状微结构疏水性薄膜马 恺,李 华,张 晗,许小亮(中国科学技术大学物理系,安徽合肥230026)摘 要:荷叶的疏水性主要来自荷叶表面的微纳复合结构.利用三步法对荷叶表面的微结构进行仿生,制备了Z nO 花状微结构疏水性薄膜.首先用so-l g el 法在普通玻璃衬底上生长SiO 2薄膜,然后进行磁控溅射生长籽晶层,再在其上利用水热法制备出微米量级和微纳复合的2种不同的ZnO 花状微结构的均匀薄膜,经有机修饰后,具有不同程度的疏水能力.用扫描电镜观察了不同微结构ZnO 薄膜的表面特征,用X 射线衍射研究了ZnO 的结晶情况,并且研究了不同微结构对疏水性质的影响.实验结果表明:微纳复合结构可以提高薄膜疏水性,最佳三相接触角达到140b .关键词:三步法;ZnO;微纳复合结构;疏水薄膜中图分类号:O 484.1 文献标识码:A 文章编号:1005-4642(2008)09-0009-061 引 言浸润性是固体表面的重要特征之一,也是最为常见的一类界面现象,它是由表面的微观几何结构和表面的化学组成共同决定的[1].浸润性不仅直接影响自然界中动植物的各种生命活动,而且在人类的日常生活、工农业生产和科学技术中起着重要作用.浸润性可以用固体表面上的接触角来衡量,人们通常把接触角小于90b 的固体表面称为亲水表面,大于90b 的表面称为疏水表面,超过150b 的称为超疏水表面.由于超疏水性表面在自清洁材料和微流体器件中有着重要的应用,最近几年引起了人们广泛的研究兴趣[1-10].阵列碳纳米管膜表面呈蜂窝状纳米结构,具有疏水效应[11].ZnO 纳米棒薄膜表面存在纳米量级的ZnO 棒阵列,也具有疏水效应[12].这些疏水性薄膜只具有纳米量级的结构,并不具有微米量级的结构.通过对荷叶的仿生学研究,发现荷叶效应本质上源于荷叶表面的微纳复合结构,微纳复合结构可以有效地提高薄膜的疏水效应[13].在本文中,用三步法对荷叶表面的微纳复合结构进行仿生,制备了ZnO 疏水性薄膜.首先用so-l gel 法在普通玻璃衬底上生长SiO 2薄膜,目的是造成微米量级的粗糙表面,降低临界晶核形成功,使之有利于后续自组装仿生结晶;然后进行磁控溅射生长籽晶层,目的是使ZnO 结晶均匀;再在其上利用水热法制备出2种不同的ZnO 花状微结构的均匀薄膜,一种为微米量级的结构,一种为微纳复合结构,经有机修饰后,具有不同程度的疏水能力.通过比较发现,在其他条件相似的情况下,微纳复合结构比单纯的微米结构具有更强的疏水能力.2 实 验在本实验中,用三步法制备出ZnO 疏水性薄膜:分为SiO 2基底薄膜的制备,ZnO 籽晶层的制备,ZnO 微米花的制备或ZnO 微纳复合花的制备.最后用有机物对ZnO 微结构的表面进行了修饰.2.1 SiO 2基底薄膜的制备用正硅酸乙酯(ETOS)、乙醇(EtOH )、去离子水以及盐酸为原料,按3B 4B 3B 0.035(体积比)的比例混合,用磁力搅拌机搅拌1h,得均匀透明溶胶.以清洗过的玻璃基片为衬底,用浸渍提拉法制得均匀透明的SiO 2薄膜.先在473K 退火1h,待薄膜干燥稳定后,再在673K 退火1h,以分解去除剩余的有机物.退火温度是根据对透明溶胶前驱体做失重分析得来的[14].2.2ZnO籽晶层的制备分别将制备好的SiO2薄膜和洗净的玻璃片作为衬底,用磁控溅射法镀ZnO籽晶层.靶材为直径60m m的自制ZnO粉末靶,将压好的靶置入马弗炉中,在1200e空气气氛下煅烧5h,然后自然冷却.溅射时的衬底温度为室温,工作气体为99.99%纯度的Ar气和99.99%纯度O2气按1B1(体积比)混合,工作压强为3Pa,采用射频溅射模式,靶与衬底之间的距离为70mm,溅射功率为100W,生长速率为0.1nm/s,镀膜时间为100s.2.3ZnO微米花状结构和花状ZnO微纳复合结构的制备用乙酸锌、六亚甲基四胺(H M T)和乙二胺(EN)为原料,合成ZnO微结构的反应在水溶液中完成,实验在高压反应釜中进行,温度为96e.基片分别采用已制备好的SiO2薄膜/玻璃片和玻璃片.乙酸锌、六亚甲基四胺和乙二胺按1B1B3 (物质的量之比)比例混合,在磁力搅拌下形成均一的前驱体(乙酸锌浓度为0.01m ol/L),然后将前驱体倒入高压反应釜中,在96e下反应20h,自然冷却到室温.制得ZnO微米花状结构[15].用乙酸锌和氢氧化钠为原料,合成ZnO微结构的反应是在乙醇溶液中完成的,实验在高压反应釜中进行,温度为100e.基片采用已经制备好的SiO2薄膜和玻璃片.乙酸锌溶液(浓度为0.5mo l/L)和氢氧化钠溶液(浓度为5mo l/L)按1B1(体积比)的比例混合,磁力搅拌下形成均一的前驱体,然后将前驱体和乙醇按1B11(体积比)的比例混合均匀后,倒入高压反应釜中,在100e下反应17h,自然冷却到室温.制得花状ZnO微纳复合结构[16].上述冷却后的样品,用去离子水冲洗,除去残留的盐和有机物.2.4表面修饰实验制备出的各种薄膜样品如表1所示.将表1中的样品分别放入浓度为0.5m ol/L的NaOH溶液中浸泡5min,用去离子水冲洗,干燥.再将衬底放入三甲基氯硅烷浓度为2%的正己烷溶液中修饰2h,得到疏水性表面.表1样品一览表样品序号薄膜结构1玻璃2SiO2薄膜/玻璃3ZnO微纳复合花/玻璃4ZnO微纳复合花/ZnO籽晶层/玻璃5ZnO微米花/ZnO籽晶层/SiO2/玻璃6ZnO微纳复合花/ZnO籽晶层/SiO2/玻璃2.5表征用场发射扫描电子显微镜(FSEM)观察了样品的表面形态,用X射线衍射(XRD)测试了样品的结晶程度,用接触角测量仪测试了样品的液)固)气三相接触角(将5L L水滴滴在薄膜表面,进行接触角的拍照,再由图像估读出三相接触角).3结果与讨论3.1薄膜结构荷叶表面的微结构如图1所示.在荷叶表面,有一个个隆起的微米量级的乳突,每个乳突上有许多纳米量级的毛刺,这种结构导致了荷叶的超疏水效应.我们希望利用ZnO微纳复合花的结构,对荷叶表面的乳突结构进行仿生,以达到疏水效果.仿生薄膜结构如图2所示.在粗糙的SiO2表面通过磁控溅射籽晶层,均匀生长上ZnO 微纳复合花,构成多层薄膜.在此薄膜上,每朵小图1荷叶表面SEM 图图2仿生薄膜结构示意图10物理实验第28卷花模仿荷叶表面的每个乳突,以达到仿生的效果.3.1.1 ZnO 花状结构由图3可以看到,ZnO 微纳复合花薄膜上每个微纳复合花的直径约为1L m,上面长满了尺度在纳米量级的毛刺状结构.在制备ZnO 微纳复合花的过程中,采用的溶剂是乙醇,并且使用NaOH 调节反应溶液的pH 值,以使反应在较强的碱性中进行.乙醇是一种蒸汽压较高、极性较强的溶剂.蒸汽压高,沸点低,反应在沸腾的乙醇中进行,反应剧烈.与此同时,较高的极性使溶质离子在溶液中的自由行走更加自由.此外,溶液碱性较强有利于结晶的各向异性.所以在这样的反应条件下,ZnO 的结晶形貌呈现微纳复合的花状结构.(a)(b)图3 微纳复合花结构薄膜的SEM 图作为与微纳复合结构的比较,我们制备了ZnO 微米花结构.由图4可见,ZnO 微米花薄膜上每个微米花的直径约为15L m ,由许多直径约为500nm 的ZnO 纳米棒组成.在制备ZnO 微米花的过程中,反应在水溶液中进行,溶液呈弱碱性.在这样的反应条件下,ZnO有利于形成纳米(a)(b)图4 微米花结构薄膜的SEM 图棒结构.在水热法的高压条件下,ZnO 纳米棒在生长的过程中会相互结合成花核,进而生长成为ZnO 微米花结构.从2种花状结构的形貌可以看出,ZnO 微纳复合花具有典型的微纳复合结构,与荷叶表面的乳突形貌十分相似.正是ZnO 微纳复合花的这种微纳复合结构提高了薄膜的疏水性.而ZnO 微米花只有尺度在微米量级的棒状结构,所以它的疏水性不好.3.1.2 ZnO 花状结构XRD 分析ZnO 花状结构XRD 图谱如图5所示.所得图5 ZnO 花状结构的XRD 图11第9期 马 恺,等:三步法制备ZnO 花状微结构疏水性薄膜的ZnO 晶体均为纤锌矿结构,属于六方晶相,晶胞参量a =0.324nm,c =0.519nm.图中每个峰都能指标化,与六方晶系标准衍射峰相符合,说明ZnO 纯度高.在图5中,(a)和(b)两条曲线中的(100),(002)和(101)峰值有大约0.4b 的相对移动,这是因为微米花和微纳花的不同构成所致:微米花是由结晶程度较好的纳米棒在各个不同方向构成,而微纳花则是真正的多晶结构,因此曲线(a)中的峰值略大于曲线(b)中的峰值.3.1.3 SiO 2基底薄膜如图6所示,由酸性条件制备出的SiO 2薄膜具有2个特点:一是SiO 2薄膜表面具有较大尺度凹凸不平;二是SiO 2薄膜表面具有微米量级的粗糙结构.SiO 2表面的凹凸不平有利于使生长在其上的ZnO 花状结构相互挤压交叠,并对ZnO 花状结构起到一定的保护作用,增强ZnO 薄膜的附着能力.而SiO 2表面的粗糙结构有利于ZnO 在其上的结晶.这是因为由结晶学理论,当溶液中存在固液相界面时,结晶过程属于非均相成核,此时晶核的临界形成功为$G *h=16P R 3LN3($G v )2f (H ).其中$G v 为单位体积自由能变化,R LN 为比表面自由能,f (H )为形状因子,H 为结晶接触角.f (H )=(2+co s H )(1-co s H )24.当H =0b 时,结晶在固液界面发生,f (H )=0,临界晶核形成功$G *h =0;当H =180b 时,结晶在液相中发生,f (H )=1,临界晶核形成功$G *h =$G *>0.图6 SiO 2薄膜的AF M 图另一方面,固液相界面的粗糙度越大,过冷度越小,结晶速度越快.由此可见结晶在SiO 2粗糙表面发生具有较大的结晶速率,并且临界晶核形成功为零,低于结晶在液相中发生时的临界晶核形成功.所以ZnO 结晶更加容易发生在粗糙SiO 2表面.由以上2点原因,SiO 2基底薄膜对使ZnO 花状结构生长成为薄膜和增强薄膜的附着能力都有好处,进而有利于提高薄膜的疏水性.3.1.4 磁控溅射籽晶层磁控溅射籽晶层的目的有2个:首先磁控溅射籽晶层可以使基片表面均匀地分布1层薄薄的ZnO 薄膜,这些ZnO 可以作为ZnO 花状结构的结晶晶核,从而使ZnO 花状结构均匀地分布在基片表面;其次,籽晶层还可以提高ZnO 的结晶质量,进而提高ZnO 薄膜的疏水性.3.2 疏水性能的比较由以上的分析,对SiO 2基底薄膜、磁控溅射籽晶层、ZnO 微米花和ZnO 微纳复合花进行了排列组合,以比较各个部分对疏水性能的影响.以下给出的各个静态接触角的测量值均是在薄膜样品上随机取1个点进行接触角的拍照,再由图像读出的.图7为不同样品的表面接触角及部分样品的水滴相片.(a)中由1至6对应1号至6号样品的接触角;(b)(c)(d)分别为6,4和2号样品的水滴相片.图7 不同样品的表面接触角及部分样品的水滴相片3.2.1 SiO 2薄膜对疏水的影响由图7中1号和2号样品的比较可见,SiO 2薄膜的接触角比玻璃片的接触角提高了30b ,这说明SiO 2薄膜本身具有一定的粗糙结构,具有一定的疏水性质.由图7中3号和6号样品的比较可见,铺有SiO 2薄膜的ZnO 微纳复合花薄膜的接触角比没12物 理 实 验第28卷有铺SiO2薄膜的提高了10b左右.由此可见,SiO2薄膜有助于提高ZnO微纳复合花薄膜的疏水性.这是因为,一方面,SiO2薄膜本身具有一定的粗糙度,SiO2颗粒尺度与ZnO 微纳复合花的毛刺状结构尺度接近,这有助于ZnO微纳复合花与衬底的结合,使得它们在衬底上的分布更均匀,从而提高了ZnO微纳复合花薄膜的疏水性.另一方面,SiO2薄膜由于有一定粗糙度,所以本身也具有一定疏水性.ZnO微纳复合花以SiO2薄膜为衬底生长,一定程度上继承了SiO2薄膜的粗糙度,这也有助于提高ZnO微纳复合花薄膜的疏水性.3.2.2磁控溅射籽晶层对疏水的影响由图7中3号和4号样品的比较可见,预先进行磁控溅射ZnO籽晶层将ZnO微纳复合花薄膜的接触角提高了10b左右.由此可见在ZnO籽晶层上生长的ZnO微纳复合花薄膜具有更好的疏水性.这是因为,磁控溅射籽晶层可以在基片表面得到均匀分布的ZnO颗粒,而这些ZnO颗粒可以作为水热法中ZnO结晶的晶核,促进ZnO结晶发生在基片表面上,从而得到基片上均匀分布的ZnO微纳复合花薄膜,提高薄膜的均匀程度,并且提高ZnO的结晶质量,所以有利于接触角的提高.3.2.3ZnO微米花和微纳复合花状微结构对疏水的影响由图7中2号和5号样品的比较可见,生长有ZnO微米花薄膜的SiO2薄膜的接触角比单纯的SiO2薄膜的接触角减少了将近20b,由此可见,微米花结构的薄膜并不具有较好的疏水性.这是因为ZnO微米花薄膜上每个微米花的直径约为15L m,由许多直径约为500nm的ZnO纳米棒组成.这种结构的粗糙尺度过大而不具有好的疏水特性,并且它的存在掩盖了SiO2薄膜本身的粗糙结构,所以与单纯的SiO2薄膜相比,它的疏水性反而降低了.由图7中2号和6号样品的比较可见,生长有ZnO微纳复合花薄膜的SiO2薄膜的接触角比单纯的SiO2薄膜的接触角提高了10b左右,由此可见,微纳复合花薄膜具有较好的疏水性.这是因为,ZnO微纳复合花薄膜上每个微纳复合花的直径约为1L m,上面长满了尺度在纳米量级的毛刺状结构,这是一种典型的微纳复合结构,这种结构既具有微米尺度的粗糙度又具有纳米尺度的粗糙度,与荷叶表面相似.除此以外,基底SiO2薄膜本身具有一定的粗糙结构,溅射上ZnO籽晶层后,在其上生长的ZnO微纳复合花薄膜可以继承它的粗糙度,更有利于疏水.所以,与单纯的SiO2薄膜相比,生长有ZnO微纳复合花薄膜的SiO2薄膜具有更好的疏水性.4结论采用三步法成功制备出了ZnO微米花薄膜和ZnO微纳复合花薄膜,经三甲基氯硅烷修饰后,薄膜具有一定的疏水性.通过比较发现ZnO 微纳复合花薄膜的疏水性明显高于ZnO微米花薄膜的疏水性.由于没有采用氟化物进行有机修饰,所以制得的薄膜没有达到超疏水的效果,但是本文工作的目的在于通过结构调控实现疏水功能.考虑到氟化物的成本很高,不适宜推广,相比之下使用三甲基氯硅烷进行修饰成本较低,具有实用意义.参考文献:[1]R ichard D,Clanet C,Q uer e D.Sur face phenome-na:contact time of a bouncing dro p[J].N ature,2002,417:811.[2]Erbil H Y,Demirel A L,A vci Y,et al.T r ansfo r-mation of a simple plastic int o a super hy dr ophobicsurface[J].Science,2003,299:1377.[3]Gao X F,Jiang L.Biophysics water-repellent leg so f water strider s[J].Nature,2004,432:36.[4]M cH ale G,Shirtcliffe N J,N ewto n M I.Super-hy-dro phobic and super-w etting sur faces:analy tical po-tential[J].A nalyst.,2004,129:284.[5]Kr asovitski B,M armur A.Dr ops do wn the hill:t heo retical study of limit ing contact ang les and thehy st eresis range o n a 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