[发明专利]一种自催化法制备高产量四针状纳米氧化锌的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别是提供了一种自催化法制备高产量四针状氧化锌(T-ZnO)纳米材料的方法，实现了低的制备温度下大范围的可控生长。

背景技术

ZnO是一种具有压电和光电特性的半导体材料，在常温下禁带宽度是3.37ev，是典型的直接带隙宽禁带半导体材料，同时它的激子束缚能高达60meV，比室温热离能26meV高很多，激子不易发生热离化。由于有大束缚能的激子更易在室温下实现高效率的激发射，因此与ZnSe(22meV)、ZnS(40meV)和GaN(25meV)相比，ZnO是一种在室温或更高温度下，具有很大应用潜力的短波长发光材料，在光学材料、复合材料、传感器、催化剂等方面有广阔的应用前景。材料的性质依赖于尺寸、形貌和介电环境，因此合成尺寸和形貌可控的纳米结构对于控制其物理和化学性质是非常重要的。目前，氧化锌纳米线、纳米带、四针状纳米棒、纳米管、纳米螺旋桨、纳米弹簧、纳米环等多种结构已被人们成功的制备出来，不同的纳米结构会有不同的潜在用途。

T-ZnO是一种生长成立体四角的单晶结构材料，具有规整的三维空间结构，正是由于其独特的针脚结构，使的T-ZnO在对乙醇，氧气等一些氧化还原性气体有着良好的气敏传感性，是优良的气敏传感器件的原材料。同时，由于T-ZnO纳米结构材料具有独特的三维立体结构，针体顶端尖锐，长径比高，其开启电压和发射电流密度与碳纳米管相当，并且具有更强的热稳定性和化学稳定性，也是颇具潜力的场发射体材料。所以，对T-ZnO的研究引起了越来越多人的兴趣。

自从2002年张跃等人(Y.Dai，Y.Zhang，Q.K.Li，C.W.Nan.Chemical Physics Letters.2002，358，83～86)利用热蒸发法，在850-925℃无催化剂条件下，首次报道了四针状氧化锌后，对T-ZnO的研究就越来越多。利用各种锌的前驱体，在不同条件下，利用催化剂的VLS机理生长以及不加催化剂的VS生长等制备出了各种形貌的T-ZnO纳米材料。目前，T-ZnO纳米材料的制备呈现出爆炸式的发展，形态各异的纳米材料不断被报道出来，有些已有了实际的应用，人们仍在不断发掘具有新的结构的氧化锌纳米材料并寻找更可控，可靠的制备方法。

四针状氧化锌对乙醇，氧气等一些氧化还原性气体有着良好的气敏传感性，是优良的气敏传感器件的原材料，所以对它的研究越来越多的引起了人们的兴趣。到目前为止，各种各样的制备方法被大家所发现，归结起来均有各自的优缺点，有的制备温度过高，无法大量生产；有的在使用催化剂的过程中容易造成产物中金属的混杂，污染产物，不利于器件的加工。

发明内容

本发明目的是为了解决四针状氧化锌制备温度过高，无法大量生产或者是在使用催化剂的过程中容易造成产物中金属的混杂、污染产物，不利于器件的加工的问题，通过反应物自身的自催化作用，有效的降低反应温度，并且避免产物中金属的污染，实现大面积可控的制备，并大范围的提高产率。

一种自催化法制备高产量四针状纳米氧化锌的方法，通过如下三个步骤实现：

1、将n型硅(100)基片用丙酮和乙醇在超声清洗器内清洗干净，作为沉积基片；

2、将Zn粉(纯度>99.9％)和ZAc(醋酸锌)粉(纯度>90％)按原子比10：1混合，充分研磨均匀并将其置于瓷舟中，研磨时间20～30分钟，之后将硅基片倒扣于瓷舟上；硅片距离反应物的距离保持在5-8mm之间。

3、管式炉事先升温至650℃，把瓷舟放入管式炉中的石英管中部；调节流量计并先向管内通入氩气流量为80cm³/min，保持15分钟；然后停止通氩气，改通氧气，保持氧气的流量在40cm³/min15分钟后，停止气体，取出硅基片。冷却至室温后利用扫描电镜、配备有能谱的透射电镜对沉积在硅基片的样品进行分析，证实所得产品四针状氧化锌。

初步认为本实验中T-ZnO的生长是由自催化的固-液-气(V-L-S)机理控制：反应伊始，ZAc在Ar的气氛中受热分解，由于ZAc中本身O原子的存在使的ZAc在分解的过程中，Zn被氧化生成了ZnO小液滴，就成为ZnO生长的晶核，而此时由于气氛是Ar，对Zn粉的蒸发起到了一定的限制作用；当Ar气氛换为O₂气氛时，Zn粉蒸发，充分与O₂结合，形成固-液界面，在ZnO的晶核周围生长、长大，最终形成不同形貌的四角状氧化锌纳米结构，所以，ZAc在此扮演了自催化中催化剂的作用，也使得反应温度降低，形貌更加多样化。