[发明专利]一种杆状ZnO单晶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超长杆状ZnO单晶材料及其制备方法，具体涉及一种长度是厘米级的ZnO杆状结构的制备所用的热蒸发方法，属于半导体光电子材料与器件的制备技术领域。

技术背景

ZnO是一种宽禁带半导体，并且具有较大的激子束缚能，在光电子器件中有很大的应用前景，因此引起了全世界范围的广泛关注。人们利用各种方法(溶液法，分子束外延，脉冲激光沉积，金属有机物化学气相沉积等)制备出了不同的ZnO纳米结构，例如纳米线，纳米带，纳米钉，纳米环，纳米弹簧，纳米梳等。在这些结构中，杆状结构由于其自身的单晶性好缺陷少的特点有利于制造各种纳米电子器件，因此人们对它产生了浓厚的兴趣。目前很多研究小组已经用不同的方法制备出各种杆状结构(P.X.Gao et al，SubstrateAtomic-Termination-Induced Anisotropic Growth of ZnO Nanowires/Nanorodsby the VLS Process，J.Phys.Chem.B 108(2004)7534-7537；R.S.Yang etal.Interpenetrative and transverse growth process of self-catalyzed ZnOnanorods，Solid State Comm.134(2005)741-745；Y.Tak et al，ControlledGrowth of Well-Aligned ZnO Nanorod Array Using a Novel Solution MethodJ.Phys.Chem.B 109(2005)19263-19269)，并且将这些形貌应用于制备纳米器件中(X.D.Wang et al，Large-Scale Hexagonal-Patterned Growth ofAligned ZnO Nanorods for Nano-Optoelectronics and Nanosensor Arrays，NanoLetters 4(2004)423-426；K.Takanezawa et al，Efficient Charge CollectionWith ZnO Nanorod Array in Hybrid Photovoltaic Devices，J.Phys.Chem.C111(2007)7218-7223)。但是之前制备的这些杆状结构，在长度上都是纳米或是微米级的。一方面，这种小尺度的结构不容易分离，因此限制了对单个梳杆状结构的应用；另一方面，已经有报导将宏观的碳纳米管纺成纤维制品，制成电缆和灯丝等，而这种微观尺度的纳米杆状结构因其尺度的限制而不能向宏观的碳纳米管那样实现一些新的技术上的应用。为了克服上述两个缺点，制备出宏观长度的ZnO杆状结构是有必要的。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种超长的杆状ZnO单晶材料。

本发明的另一目的在于提供一种常压下制备超长的杆状ZnO单晶材料的方法。

本发明提供的超长杆状ZnO单晶材料长度为0.5mm～15mm，直径为80nm～4000nm的杆状结构的宏观ZnO单晶结构。

本发明提供的超长杆状ZnO单晶材料的制备，采用以下的技术方案：

以ZnO粉、石墨粉和CuO粉做原料，以易得的N₂为气源，在水平管式生长炉中采用热蒸发法在衬底上生长超长的杆状ZnO单晶材料，该材料以独立形式依附在石英舟表面和衬底上。

现详细说明本发明的技术方案。一种超长的杆状ZnO单晶材料的制备方法，其特征在于，具体操作步骤：

第一步，将质量比为3∶1∶3～10∶1∶10的ZnO粉末、CuO粉末和石墨粉末，加入乙醇，超声混合后烘干至粉末状；混匀生长源ZnO粉、石墨粉和CuO粉末的方法是将选定质量比ZnO粉、石墨粉和氧化铜粉混合，加入适量无水乙醇后搅拌、超声振动、烘干并研磨，得混匀的生长源粉末。其中ZnO粉、石墨粉和CuO粉的纯度分别为99.99％、99％和99.99％；

第二步，将水平管式生长炉加热到870℃～950℃；然后以1.0～2.0L/min的流量充入N₂；