專利名稱：氧化鎘微納米有序結(jié)構(gòu)材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用電化學(xué)沉積的方法制備氧化鎘微納米結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)領(lǐng)域。通過構(gòu) 建超薄液層，無添加劑，無需加熱氧化而直接在二維平面上制備大面積有序微納米結(jié)構(gòu)材 料的方法。
背景技術(shù)：
納米結(jié)構(gòu)材料具有獨特的光學(xué)、電學(xué)特性。在諸多的納米結(jié)構(gòu)材料制備方法中，電 沉積作為納米結(jié)構(gòu)材料的有效合成技術(shù)，因其對所合成材料形貌的有效控制，以及實驗條 件的低要求和規(guī)模化生產(chǎn)的可行性，而成為一種非常有前景的技術(shù)手段。目前的電沉積方 法多為多孔鋁板法，其先將氧化鋁模板放到溶液中，通過控制不同的沉積電位，使離子在氧 化鋁模版的孔洞中進行電沉積，然后通過化學(xué)處理將氧化鋁模板去掉，得到相應(yīng)的納米材 料，產(chǎn)物的形貌完全依賴于模板的形貌。在這個制備過程中，由于工藝較為復(fù)雜，模板的制 作成本較高，且鋁板孔徑對離子的傳輸有很大的影響作用，影響了沉積材料的形成。這些都 成為其制備過程中的不利因素。而準(zhǔn)二維電沉積方法可以在二維平面上、無模板的條件下， 制備納米結(jié)構(gòu)材料，這為微納米有序結(jié)構(gòu)的制備，提供了一種有效的方法。氧化鎘是一種η型半導(dǎo)體，直接帶隙為2. 5eV,因其在光學(xué)和電學(xué)方面的特殊性 質(zhì)，以及在太陽光譜可見光區(qū)的高透光率，它在太陽能、光電晶體管、催化劑等方面有很好 的應(yīng)用前景。且因其對液化氣等氣體獨特的敏感性，其在氣敏傳感器方面也有很大的應(yīng)用 潛力。有關(guān)的綜述文章見(1)Pan，Ζ. W. ；Dai, Ζ. R. ；Wang，Ζ. L. Science 2001，291，1947 ； (2)Liu, X. ；Li, C. ；Han, S. ；Han, J. ；Zhou, C. Appl. Phys. Lett. 2003,82,1950 ； (3)Tz-Jun Kuo and Michael H. Huang. J. Phys. Chem. B 2006,110,13717-13721 ； (4)R. R. Salunkhe, D. S. Dhawale, D. P. Dubai, C. D. Lokhande. Sensors and Actuators B 140(2009)86-91。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的氧化鎘微納米有序結(jié)構(gòu)材料的制備方法，在二維平 面上，無添加劑，不經(jīng)過額外的氧化處理，直接得到氧化鎘微納米材料。且生成的氧化鎘微 納米材料是有許多的納米量級的片狀晶粒按一定次序組成。這種結(jié)構(gòu)極大地提高了其比表 面積，使其在氣敏元件方面有很大的應(yīng)用潛力。該制備方法包括以下的步驟(1)配置電解液。(2)根據(jù)要制備的材料，制備所需要的電極。電極厚度要薄，且厚度均勻。(3)將步驟(2)制作的兩個電極平行的放置在表面氧化處理的硅片表面，相距一 定距離，然后將步驟(1)配置好的電解液取少許置于準(zhǔn)備好的電極中間，最后在電極上面 蓋上一片薄的蓋玻片。(4)將步驟(3)得到的電解池置于水浴精確控制的低溫循環(huán)腔中進行降溫，結(jié)冰。(5)通過調(diào)節(jié)水浴的溫度使之達到適宜的電沉積溫度，使電解池中玻璃和硅片之間的溶液結(jié)冰。(6)放置一定時間，根據(jù)溶質(zhì)分凝的原理，冰與硅片之間析出溶質(zhì)形成超薄液層。 將電解池中兩個電極分別作為陰極和陽極，接到波形發(fā)生器上。根據(jù)要制備的納米結(jié)構(gòu)材 料，編輯需要的電壓進行沉積。(7)電沉積結(jié)束后，取下蓋玻片，將冰融化后，在硅片上得到大面積的氧化鎘半導(dǎo) 體納米有序陣列。
本發(fā)明具體的技術(shù)方案是1.采用去離子水、硝酸鎘配置電解液，使Cd2+濃度在0.002 0. lOOmol/L之間， 用硝酸調(diào)節(jié)電解液的pH值至1. 0 3. 0 ；2.采用表面氧化處理的硅片作為基底，將兩片鎘箔電極平行的放在水平放置的基 底上，在兩電極間倒入電解液，在電極上罩上蓋玻片，組成半封閉的電解池，放入溫度控制 系統(tǒng)；3.將溫度控制在-2. 0 -7. O0C，對電解液進行制冷結(jié)冰；放置40 100分鐘，在 電極上施加穩(wěn)定的電壓，電位在-1. 5 -0. 4V ；以光學(xué)顯微鏡實時觀察基底上生成的納米 陣列；最后用去離子水清洗基底，得到氧化鎘納米結(jié)構(gòu)材料。比較合適的電極高度為20 200um ；比較合適的兩個電極間距為5 15mm。本發(fā)明的氧化鎘微納米材料的掃描電鏡圖片表明，材料的直徑在200 700nm。且 其高倍掃描電鏡圖片表明該納米線是有許多的納米量級的片狀晶粒按一定次序排列組成。在材料的制備過程中，沉積電壓越低，生長速度越快，沉積電壓越高，生長速度越 慢。當(dāng)PH值增大時，有少量金屬生成。鎘離子的濃度主要影響所得納米線的粗細，鎘離子 濃度高時，所得納米線較粗，濃度較低時，所得納米線較細。利用電解池對溫度控制，可以對 電解液層厚度進行調(diào)節(jié)，溫度越高時，冰層越薄，液層越厚，相應(yīng)的氧化鎘納米材料也越厚， 而溫度較低時，結(jié)冰層較厚，液層越薄，氧化鎘納米材料越薄。與現(xiàn)有的制備氧化鎘半導(dǎo)體納米材料的方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點是合成方法簡 單，在制備過程中沒有添加任何添加劑；制備成本低，在二維平面上，無需模板；制備過程 簡潔，樣品不需經(jīng)過加熱氧化處理；制備過程可控性高，可以通過控制生長電壓控制樣品生 長速度。


圖1是本發(fā)明實施例1所制備的CdO納米材料產(chǎn)品的X-射線衍射圖。圖2是本發(fā)明實施例1所制備的CdO納米材料產(chǎn)品的低倍掃描電鏡照片。圖3是本發(fā)明實施例1所制備的CdO納米材料產(chǎn)品的高倍掃描電鏡照片。圖4是本發(fā)明實施例1所制備的CdO納米材料產(chǎn)品的透射電鏡照片。圖5是本發(fā)明實施例1所制備的CdO納米材料產(chǎn)品的電子衍射照片。
具體實施例方式實施例ICdO納米結(jié)構(gòu)材料的制備方法用去離子水和硝酸鎘配置溶液，Cd2+濃度為0. 05M/L,然后利用硝酸調(diào)節(jié)溶液的pH 值至2.0。使用長度為2cm，厚度為40 μ m金屬鎘箔做電極。經(jīng)過氧化處理的硅片作為二維生長基底，硅片、反應(yīng)溶液、蓋玻片與電極構(gòu)成電解池，將電解池放入溫度控制系統(tǒng)中，通過 水浴將溫度控制在-4. 750C，對電解池中電解液進行制冷結(jié)冰，冰層經(jīng)過40 100分鐘靜置 后，將編輯好的波形發(fā)生器的電壓施加到電極上，所施加電壓為-0. 7V，通過光學(xué)顯微鏡可 以觀察其生長狀況。制備結(jié)束后，用去離子水清洗基底，得到CdO納米結(jié)構(gòu)材料。圖2、圖3 展示了制備得到的CdO半導(dǎo)體納米材料的掃描電鏡圖片，圖1、圖4、圖5為用XRD和透射電 鏡對其結(jié)構(gòu)進行了表征。實施例2對電解液條件的實施說明在本發(fā)明電解液條件的范圍內(nèi)，均可以制備出CdO納米結(jié)構(gòu)材料。在制備CdO納米結(jié)構(gòu)材料時，Cd2+的濃度在0. 002 0. IOOmol/L之間，采用Cd2+ 濃度為0.05mol/L的電解液比0. 01mol/L的電解液制備得到的樣品要厚。pH值在1. 0 3. 0的范圍內(nèi)，隨著pH值增加，有少量金屬生成。電極厚度(即組成半封閉的電解池時的電極高度)主要影響冰層厚度，對生長過 程影響不大。兩電極之間的距離主要取決于所制備樣品的大小。實施例3對生長電壓和溫度的實施說明制備過程中，生長電位在-1. 5 -0. 4V的范圍內(nèi)，均可以制備出CdO納米結(jié)構(gòu)材 料。施加的生長電壓要低于離子的平衡電極電位，且隨著生長電壓的降低，電子的傳 輸速度增加，生長速度增加。生長電壓為-IV時明顯比-0. 5V時生長速度加快，所得納米結(jié) 構(gòu)材料的直徑減小。但當(dāng)生長電壓過低時，離子得不到有效地補充，所制備的納米結(jié)構(gòu)材料 容易形成分枝。溫度的大小主要取決于電解液的結(jié)冰情況。在-2. 0 -7. 0°C的范圍內(nèi)，只要使鎘 離子析出，就會在基底上得到氧化鎘納米材料。
權(quán)利要求
一種氧化鎘微納米有序結(jié)構(gòu)材料的制備方法，采用去離子水、硝酸鎘配置電解液，使Cd2+濃度在0.002～0.100mol/L之間，用硝酸調(diào)節(jié)電解液的pH值至1.0～3.0；采用表面氧化處理的硅片作為基底，將兩片鎘箔電極平行的放在水平放置的基底上，在兩電極間倒入電解液，在電極上罩上蓋玻片，組成半封閉的電解池，放入溫度控制系統(tǒng)；將溫度控制在-2.0～-7.0℃，對電解液進行制冷結(jié)冰；放置40～100分鐘，在電極上施加穩(wěn)定的電壓，電位在-1.5～-0.4V；以光學(xué)顯微鏡實時觀察基底上生成的納米陣列；最后用去離子水清洗基底，得到氧化鎘納米結(jié)構(gòu)材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的氧化鎘微納米有序結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于，所述 的電極，高度為20 200um ；兩電極的間距為5 15mm。
全文摘要
本發(fā)明的氧化鎘微納米有序結(jié)構(gòu)材料的制備方法屬于電化學(xué)沉積的方法制備納米結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)領(lǐng)域。具體制備過程采用去離子水、硝酸鎘配置電解液；將兩片鎘箔電極平行的放在水平放置的硅片基底上，在兩電極間倒入電解液，在電極上罩上蓋玻片，放入溫度控制系統(tǒng)；對電解液進行制冷結(jié)冰；放置約一小時后施加-1.5～-0.4V穩(wěn)定的電壓；實時觀察基底上生成納米陣列；最后用去離子水清洗基底，得到氧化鎘納米結(jié)構(gòu)材料。本發(fā)明合成方法簡單，制備過程中沒有添加任何添加劑；制備成本低，無需模板；制備過程簡潔，樣品不需經(jīng)過加熱氧化處理；制備過程可控性高，可通過控制生長電壓控制樣品生長速度。
文檔編號C25D7/12GK101845651SQ20091021812
公開日2010年9月29日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者張明喆, 李咚咚 申請人:吉林大學(xué)