[发明专利]连续大面积氧化锌纳米薄片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化锌纳米薄片组成的大面积的、连续的多孔膜制备技术，属于纳米材料技术领域，其应用领域包括气体传感器、太阳能电池材料、表面涂层和纳米光电器件等方面。

技术背景

氧化锌，由于具有优异的光电特性，热稳定性和化学稳定性等，已经广泛地运用于光电器件、气体传感器、压电传感器等高科技产品上。开发氧化锌纳米结构既可以进一步研究氧化锌在低维尺度上的性能，又能开发新型器件。关于氧化锌纳米结构的发明很多，报道的氧化锌纳米结构绝大多数都是沿着[0001]方向快速生长形成的具有较大长径比的结构，如纳米棒、纳米线等。与之不同的是，如果沿着[0110]方向，即与[0001]垂直的方向，生长速率较快则会形成纳米带或纳米薄片，并且这样的纳米带或纳米片有希望组成连续的多孔结构。连续的多孔氧化锌膜，具有一定厚度后可以形成独立的膜，不需要基底的支撑，可有更多的应用范围。王中林课题组在2001年报道了利用热蒸发沉积方法获得了沿着[0110]方向快速生长的螺旋纳米带和纳米环结构(W.P.Zheng，et al.，Science 291(2001)1947)，虽然这些结构表现出独特的性能，但在工艺上没有实现规则的大面积制备。中国发明专利申请说明书CN1970683A披露了用水热法在硅衬底上沉积氧化锌，制备氧化锌纳米薄片。但该专利中所说明的用硅衬底制备出的是相互分离的六角形氧化锌薄片，没有形成连续的结构。薄片状氧化锌组成的多孔结构未见专利或专利申请。

文献检索发现，Z.H.Jing等人发表的论文“Fabrication and Gas-Sensing Properties ofPorous ZnO Nanoplates，Adv.Mater.20(2008)4547”，以及X.Y.Wang等人发表的论文“Effective electron collection in highly(110)-oriented ZnO porous nanosheet frameworkphotoanode，Nanotechnology 21(2010)065703”，分别在400和500℃高温下，热处理前躯体得到片层氧化锌结构，在每一片氧化锌上有很多孔，和本发明申请的由很多氧化锌薄片组成多孔结构不同，并且制备工艺复杂。而本专利申请的这种连续的多孔结构，与大多数现有的分散的氧化锌纳米结构相比，在气敏传感器、压电器件和燃敏太阳能电池等应用中有很大的优势。

另一方面，对于氧化锌纳米器件的应用而言，大面积的(1平方厘米以上)、可重复的纳米结构制备工艺尤为重要。目前的氧化锌纳米结构的制备工艺可以分为气相沉积和液相沉积。气相沉积包括激光分子束外延、微波磁控溅射，脉冲激光溅射，喷雾高温热解，金属有机物气相沉积(MOCVD)和热蒸发等，这些方法可以得到大面积样品，但膜的生长速率慢，厚度有限，成本高昂。例如中国专利申请CN200710176926.6在MOCVD设备中利用载气通入锌源，在衬底上生长一层锌隔离层，利用载气通入锌源和氧气，使得在锌隔离层上得到氧化锌纳米棒阵列外延层，工艺复杂。中国专利CN200810071953.1利用热蒸发得到分散的氧化锌纳米薄片，这种方法可控性和重复性不够。液相方法可以实现多种不同的低维结构，但多为分散的粉体并且往往多种低维结构混杂在一起，这大大限制了这种方法的应用。中国专利CN200910048958.7利用溶剂热反应，在110-150℃的温度下反应6-12h，冷却至室温后在40～60℃烘干5～12h，将产物离心分离洗涤，得到ZnO纳米棒，工艺复杂，并且产物是离散的粉体，粉体的形貌和尺寸难以一致。其他与氧化锌纳米结构相关的专利也有类似问题，如中国专利CN200910113962.7(纳米线)和中国专利CN200810153801.6(纳米管)等等。因此，为了克服气相沉积的高成本和低生长速率，克服液相沉积的不连续性和低重复性，需要开发一种能够实现大面积、连续的氧化锌纳米结构的制备工艺，这种工艺本身同时具有液相法的工艺简单、成本低廉等优势，也具有目前气相法的连续膜结构、可重复性等特点。

发明内容

本发明针对技术背景中所阐述的缺少连续的氧化锌纳米结构，以及无法实现大面积的、可重复的、低成本的制备工艺等不足之处，提出一种在金属基底和金属氧化物基底上利用合适的水热法制备工艺实现由氧化锌纳米薄片组成的大面积的、连续的多孔氧化锌膜。