[发明专利]一种控制氧化锌纳米棒/纳米管阵列取向和形貌特征的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在水溶液中合成ZnO纳米棒/纳米管阵列的方法，该阵列薄膜可应用于紫外激光发光、纳米传感器，纳米晶太阳能电池(包括染料敏化太阳能电池、无机极薄吸收层太阳能电池和量子点太阳能电池)等方面。

背景技术

氧化锌是一种宽带隙(3.37eV)的半导体材料，具有良好的光电、压电、催化等性能。近年来，国内外已开展了大量关于纳米棒、纳米棒和纳米管等一维氧化锌结构的研究。这些一维ZnO阵列结构在传感器，光电器件，太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。

目前已有的制备一维氧化锌阵列的方法包括化学气相沉积法和液相生长法。化学气相法如美国专利US 6,036,774(使氧化锌纳米棒阵列垂直于表面的基底及其制备方法)给出的一种气相法生长金属氧化物纳米棒的方法，以及中国专利CN 1333117C(一种在硅基底上生长定向准直氧化锌纳米棒阵列的方法)给出的一种250℃的低温下化学气相法制备氧化锌纳米棒的方法。在液相法制备ZnO纳米棒/纳米管方面，美国专利US 7,265,037B2(纳米棒阵列、纳米棒太阳能电池及其制备方法)采用添加六亚甲基四胺和聚乙烯亚胺的硝酸锌的水溶液制备ZnO纳米棒阵列；中国专利CN 1301217C(一种低温湿化学制备氧化锌纳米棒的方法)给出了一种采用十二烷基苯磺酸钠为模板剂制备ZnO纳米棒的方法，纳米棒直径为80-100nm，长度为2μm；最近，哈尔滨工程大学的陈玉金等人申请的专利“氧化锌纳米管及其超声制备方法”(200610150940.4)给出了一种采用超声波辅助制备ZnO纳米管的方法。但是上述所有的方法大多采用与ZnO晶格不匹配的基底，一维ZnO纳米结构的直立性较差。为保证直立性，有些研究采用在基底上沉积一层取向的且与ZnO晶格匹配的缓冲层，但是这些缓冲层的存在对未来ZnO纳米结构的应用往往会带来不利影响。为满足未来的高性能应用的需要，有必要发明一种新的能够直接从基底上生长高度直立性ZnO纳米结构阵列的新方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制氧化锌纳米棒/纳米管阵列取向和形貌特征的方法，使得到的ZnO纳米棒/纳米管阵列具有如下性质：

1.ZnO纳米棒/纳米管阵列和基底之间没有纳米颗粒堆积，而是直接生长在基底上，以便电子或光子可以从沉积基底直接进入单晶结构，传输过程中没有电子陷落和光子散射，速率较高；

2.ZnO纳米棒/纳米管应具有很好的直立性，以利于后期制备太阳能电池等器件时吸收层的均匀性；

3.ZnO纳米棒/纳米管的直径可控。对纳米晶电池的应用，希望其直径在50-100纳米之间，以满足建立内建电场时所需的厚度要求；对紫外发光器件的应用，希望其直径低于50纳米，以满足量子尺寸效应所需的直径尺寸；

4.ZnO纳米棒/纳米管的间距可控。对于不同的应用，对间距的要求不同。对纳米晶太阳能电池，间距最好在50-150nm之间，以满足后续沉积敏化层、p型层或电解质填充、离子扩散以及液体或气体扩散等所需的空间要求；对于紫外发光器件的应用则希望其间距在互不相连的情况下尽量小，以满足高发光强度的密度要求；

5.ZnO纳米棒/纳米管的长度可控。对于纳米晶电池和传感器件的应用，希望其长度在1.5-10微米之间，满足吸光和大的内部表面积的要求。

本发明是通过以下技术措施来实现的：

本发明公开了一种控制氧化锌纳米棒/纳米管阵列取向和形貌特征的方法，包括如下步骤：采用溶胶-凝胶旋涂法和快速退火工艺相结合，在基底表面沉积(001)高度取向的实心或中空ZnO种子层薄膜，将ZnO种子层薄膜在硝酸锌水溶液中外延生长得到高度取向的ZnO纳米棒/纳米管阵列薄膜；

所述的在基底上沉积高度取向的实心或中空ZnO种子层薄膜的方法，采用以下步骤：

a.配制种子层前驱体溶液：将等摩尔乙酸锌和稳定剂依次溶解到乙醇中，乙酸锌的浓度为0.075～0.3M，充分搅拌后，密封均化制成种子层前驱体溶液；

b.沉积基底的清洗：将基底进行彻底清洗；

c.沉积ZnO种子层：将种子层前驱体溶液以3000-7500转/min的速度旋涂到基底表面；

d.将涂胶后的基底在180-300℃下蒸发掉溶剂或热解5min以上；转移到快速退火炉中，在250-800℃的温度下进行热处理，得到实心或中空ZnO种子层薄膜；

所述的在溶液中外延生长制备出高度取向的ZnO纳米棒/纳米管阵列薄膜的方法，采用以下步骤：