專利名稱：一種大面積高取向性的氧化鋅納米薄片陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料定列的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種大面積高取向性的 氧化鋅納米薄片陣列的制備方法，通過多階段水熱法合成取向一致的氧化鋅納米薄片陣 列，采用簡單的工藝制備了大面積定向氧化鋅納米薄片陣列。
背景技術(shù)：
ZnO為II _ VI族化合物，是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度 為3.37eV。具有高的熔點(diǎn)和熱導(dǎo)率，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，并具有無毒、原料豐富及價(jià)格低 廉等優(yōu)點(diǎn)。在紫外發(fā)光器件、場發(fā)射器件、表面聲波器件、壓電轉(zhuǎn)換器、傳感器、太陽能電 池等方面有廣闊的應(yīng)用前景。(M. H. Huang, S. Mao, H. Feick, H. Q. Yan, Y. Y. Wu, H. Kind, Ε. Weber, R. Russo, P.D.Yang, Science 292(2001) 1897 ；A.Umar, Y.B. Hahn, Cryst. Growth Des. 8 (2008) 2741 ;J. Χ. Wang, Χ. W. Sun, Α. Wei, Y. Lei, Χ. P. Cai，C. Μ. Li，Ζ. L. Dong, App 1. Phys. Lett. 88 (2006) 233106 ；Y. H. Huang, X. D. Bai, Y. J. Zhang, Phys. Condens. Matter 18 (2006) 179 ；X. D. Wang, J. H. Song, J. Liu, Z. L. Wang, Science 316 (2007) 102 ；M. Law, L. E. Greene, J. C. Johnson, R. SaykalIy, P. D. Yang, Nat. Mater. 4 (2005) 455.) ZnO 納米材料 形貌多樣，包括納米線、納米帶、四針狀納米棒、納米管等。不同的納米結(jié)構(gòu)都會(huì)在不同的領(lǐng) 域有著其潛在的應(yīng)用價(jià)值。近年來，隨著對染料敏化太陽能電池的研究的深入開展，ZnO材 料被研究者認(rèn)為是非常有前景的光陽極材料。而對于在光陽極上的應(yīng)用而言，制備純度高、 可大面積生長、形貌均一、尺寸可控、比表面積大的ZnO納米材料是實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值的必要 條件?，F(xiàn)階段氧化鋅納米材料的形貌及制備方法層出不窮。但是，真正能夠?qū)崿F(xiàn)大面積 可控，能適應(yīng)染料敏化太陽能電池光陽極應(yīng)用的制備方法還不多。例如，報(bào)道的很多形貌的 氧化鋅材料是利用物理化學(xué)氣相沉積方法制備的。這種方法所需的制備溫度約為1000°c， 最低溫度也需600°c。而對于太陽能電池陽極的玻璃基底來說，這樣的高溫是無法承受的， 因此這種制備方法對于在光陽極上的應(yīng)用是受限制的。低溫水熱法是制備ZnO納米材料的 另一種常用手段。它的優(yōu)點(diǎn)在于制備溫度低(約100°C左右)，對納米材料尺寸的可控性強(qiáng)， 獲得的產(chǎn)物雜質(zhì)少、純度高。缺點(diǎn)在于可大面積制備出的產(chǎn)物形貌比較單一，多以一維ZnO 納米線陣列為主。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大面積ZnO納米片陣列的制備方法。具有合成方法簡 單、成本低、效率高、產(chǎn)品質(zhì)量高以及適合大規(guī)模生產(chǎn)等許多優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提出了一種大面積ZnO納米片陣列的制備方法。采用分段低溫水熱合成方 法，選用載有ZnO薄膜的基片作為生長基底；對前驅(qū)液進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x用與處理；控制好反應(yīng) 時(shí)間和溫度，從而獲得ZnO納米片陣列；制備了排列整齊、取向一致、尺寸均一的ZnO納米片 陣列。具體工藝步驟如下
1.將等摩爾數(shù)的六水合硝酸鋅和六亞甲基四胺溶解于去離子水中，進(jìn)行1 1. 5 小時(shí)超聲波處理至獲得白色的乳濁液，溶液中六水合硝酸鋅和六亞甲基四胺摩爾濃度均為 0. 01 0. 05M。2.選用載有200nm厚的ZnO薄膜的FTO導(dǎo)電玻璃基片作為生長基底。用丙酮、無 水乙醇及去離子水進(jìn)行反復(fù)清洗，最后將其烘干。將上述處理好的基片放入第一步配制好 的反應(yīng)溶液中，密封后在三個(gè)不同的溫度下分別保溫一段時(shí)間。90 110°C下保溫24 28 個(gè)小時(shí)，50°C 70°C下保溫48 52小時(shí)，0_30°C下保溫10 14小時(shí)。3.反應(yīng)結(jié)束后，將基片取出。先用去離子水反復(fù)沖洗，清洗烘干后可以看到基片上 形成了均勻疏松的白色薄膜，此薄膜即為所制得的ZnO納米片陣列。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的大面積ZnO納米片陣列的制備方法有以下優(yōu)點(diǎn)。1.采用水熱法工藝簡單，可獲得純度高、取向性好的ZnO納米片陣列。2.溶液的處理和反應(yīng)的階段性設(shè)計(jì)保證了產(chǎn)物形貌的均一性及取向性。3.本方法制得的產(chǎn)物產(chǎn)量大、比表面積大、反應(yīng)溫度低，適合在染料敏化太陽能電 池等器件上的應(yīng)用，特別適合工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明采用分階段水熱反應(yīng)法制備的大面積ZnO納米片陣列的低倍俯視場 發(fā)射掃描電鏡照片。所得陣列尺寸均一、面積大、取向性高。圖2為本發(fā)明采用分階段水熱反應(yīng)法制備的大面積ZnO納米片陣列的高倍俯視場 發(fā)射掃描電鏡照片。圖3為本發(fā)明采用分階段水熱反應(yīng)法制備的大面積ZnO納米片陣列側(cè)面場發(fā)射掃 描電鏡照片。陣列高度約為10微米。圖4A為本發(fā)明采用分階段水熱反應(yīng)法制備的ZnO納米片的透射電鏡照片；B為 ZnO納米片邊緣部位的高分辨透射電鏡照片；C為ZnO納米片中間部位的高分辨透射電鏡照 片及選區(qū)電子衍射斑點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說明1.用離子水將等摩爾數(shù)的化學(xué)純六水合硝酸鋅與六亞甲基四胺溶解于IL的容量 瓶中，配制成摩爾濃度為0. 05mol/L的反應(yīng)溶液。然后將其用超聲波處理1個(gè)小時(shí)后取出 待用。2.將5片面積為2cm2的載有200nm厚的ZnO薄膜的FTO導(dǎo)電玻璃作為生長基底， 先去用丙酮、無水乙醇及去離子水進(jìn)行清洗，最后將其烘干。將上述處理好的基片放入內(nèi)膽 為聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中，注入第一步配置好的反應(yīng)溶液，并保持溫度為95°C反應(yīng)24個(gè)小 時(shí)，隨后在60°C下保溫48小時(shí)，最后在25°C下靜置10個(gè)小時(shí)。3.反應(yīng)結(jié)束后，將基片取出。用去離子水反復(fù)沖洗后洗烘干?？梢钥吹交闲?成了十分均勻的乳白色薄膜，此薄膜即為所制得ZnO納米片陣列。這種方法制備的ZnO納米片陣列面積大、尺寸均勻、取向性好、陣列高度約為10微米左右 。
權(quán)利要求
一種大面積高取向性的氧化鋅納米薄片陣列的制備方法，其特征在于，制備工藝為a.將等摩爾數(shù)的六水合硝酸鋅和六亞甲基四胺溶解于去離子水中，進(jìn)行超聲波處理至獲得白色的乳濁液，獲得的此溶液即為反應(yīng)所需的前驅(qū)液；前驅(qū)液中六水合硝酸鋅與六亞甲基四胺溶液的摩爾濃度均為0.01～0.05M；b.選用載有氧化鋅薄膜的導(dǎo)電玻璃片作為生長基底；用丙酮、無水乙醇及去離子水進(jìn)行反復(fù)清洗，最后將其烘干；將上述處理好的基片放入第一步配制好的反應(yīng)溶液中，密封后依次在三個(gè)不同的溫度下分別保溫一段時(shí)間；控制反應(yīng)溫度為高、中、低三個(gè)階段，高溫指90～110℃，中溫指50℃～70℃之間，低溫指0～30℃；c.反應(yīng)結(jié)束后，將基片取出。先用去去離子水反復(fù)沖洗，清洗烘干后可以看到基片上形成了均勻疏松的乳白色薄膜，此薄膜即為所制得的氧化鋅納米薄片陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的大面積高取向性的氧化鋅納米薄片陣列的制備方法，其特征在 于選用的生長基片為載有200nm厚的氧化鋅薄膜的FTO導(dǎo)電玻璃。
3.如權(quán)利要求1所述的大面積高取向性的氧化鋅納米薄片陣列的制備方法，其特征在 于反應(yīng)溶液在反應(yīng)前超聲處理1 1. 5小時(shí)。
4.如權(quán)利要求1所述的大面積高取向性的氧化鋅納米薄片陣列的制備方法，其特征在 于控制反應(yīng)時(shí)間為高、中、低三個(gè)反應(yīng)溫區(qū)的反應(yīng)時(shí)間分別是24 28個(gè)小時(shí)、48 52小 時(shí)、10 14小時(shí)。
全文摘要
一種大面積高取向性的氧化鋅納米薄片陣列的制備方法，屬于納米材料定列的制備技術(shù)領(lǐng)域。工藝步驟如下將等摩爾數(shù)的六水合硝酸鋅和六亞甲基四胺溶解于去離子水中，并進(jìn)行長時(shí)間超聲波處理得反應(yīng)溶液；將載有200nm厚的氧化鋅薄膜的FTO導(dǎo)電玻璃基片用丙酮、無水乙醇及去離子水進(jìn)行反復(fù)清洗，最后將其烘干作為生長基片。將上述處理好的基片放入第一步配制好的反應(yīng)溶液中，密封后分階段保溫，清洗干燥后得到氧化鋅納米片陣列。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于制得的產(chǎn)物產(chǎn)量大、比表面積大；合成方法反應(yīng)溫度低、效率高、成本低、適合在染料敏化太陽能電池等器件上的應(yīng)用，特別適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號C03C17/23GK101844876SQ20101017698
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者廖慶亮, 張躍, 李會(huì)峰, 秦子, 蘇嘉, 黃運(yùn)華, 齊俊杰 申請人:北京科技大學(xué)