[发明专利]一种斜向ZnO纳米线阵列及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及ZnO纳米线阵列，尤其涉及一种斜向ZnO纳米线阵列及其生长方法。

背景技术

ZnO作为一种宽禁带半导体材料，由于具有高达60 meV的激子束缚能，近年来成为发光二极管和紫外激光器等光电子器件的热门备选材料，具有很好的应用潜力。一维ZnO纳米材料作为最优异的半导体纳米材料之一，在光学、电输运、压电、光电、场发射、光催化、稀磁等性能上具有显著特点，因此在纳米光电子器件上的应用也成为全世界的研究热点。目前，在一维ZnO纳米材料研究领域，关注的重点包括一维ZnO纳米材料的可控及高产率制备、结构与性能调控、纳米器件组装、纳米材料及器件的性能测试与评估等方面。

制备ZnO纳米阵列的方法很多，基本步骤主要包括选择合适的衬底、生长缓冲层、生长纳米线等。而合成纳米线阵列的主要方法包括热蒸发法、溶液法、脉冲激光沉积法（PLD）、分子束外延法（MBE）、金属有机化学气相沉积法（MOCVD）等。溶液法虽然条件温和，且制备简单，重复性高，但由于在反应过程中ZnO纳米线是随机合成的，因此取向性较差，且晶体质量不高；而热蒸发法合成的ZnO纳米线阵列具有较高的晶体质量和相对较为简单可行的方法而被广泛采用。

现阶段报道的一维ZnO纳米材料主要集中在垂直阵列上，也有少量关于侧向或横向纳米线阵列的文献报道。但高度有序的斜向生长ZnO纳米线阵列鲜有报道，因此研发具有高度有序且密度可控的ZnO斜向一维纳米材料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种斜向ZnO纳米线阵列及其生长方法。

本发明的斜向ZnO纳米线阵列，其ZnO纳米线与衬底表面呈55～65°夹角，向相反的方向交叉有序排列。

斜向ZnO纳米线阵列采用热蒸发法生长，具体步骤如下：

1）在m面蓝宝石衬底上沉积一层（100）取向的ZnO薄膜；

2）以纯ZnO和纯石墨按质量比2:1混合作为源材料，称量0.5~2g源材料放入一端开口的石英管的密闭端一侧，将m面蓝宝石衬底置于石英管的开口端一侧；衬底与源材料距离为8-15cm，与石英管开口端之间的距离为1~10cm；石英管放置在水平管式炉反应室中，石英管开口端处于气流下方向，反应室真空度至少抽至20Pa，源材料加热到850~950℃，然后向反应室通入纯氮气和纯氧气，氮气流量为90~99sccm，氧气流量为1~10sccm，在1000~1500Pa压强下生长。

本发明中，ZnO的纯度大于99.9%，石墨的纯度大于99%，氮气和氧气的纯度均高于99.99%。

本发明的有益效果在于：

1）利用该方法可直接生长斜向ZnO纳米线阵列，无需任何催化剂或者有机模板，也无需光刻工艺，制备工艺简单，易于操作，成本低。

2）通过调节源材料加热温度、衬底与源材料的距离、源材料的质量和生长时间，可以制备尺寸和密度可控且分布均匀的斜向ZnO纳米线阵列。

3）所制备的斜向ZnO纳米线阵列具有高度的有序性和高的晶体质量。

附图说明

图1是实施例1的斜向ZnO纳米线阵列扫描电子显微镜（SEM）图，其中左图为俯视图，右图为断面图。

图2是实施例2的斜向ZnO纳米线阵列扫描电子显微镜（SEM）图，其中左图为俯视图，右图为断面图。

具体实施方式

以下结合附图，通过实例对本发明作进一步说明。

实施例1：

1）以m面蓝宝石为衬底，利用脉冲激光沉积方法预先生长一层厚度为100nm的（100）取向ZnO薄膜为籽晶层。

2）以纯度均为99.99%的ZnO和石墨按质量比2:1混合作为源材料，称量1g源材料放入一端开口的石英管的密闭端一侧，将m面蓝宝石衬底置于石英管的开口端一侧；衬底与源材料距离为10cm，与石英管开口端之间的距离为7cm；石英管放置在水平管式炉反应室中，石英管开口端处于气流下方向，反应室真空度抽至10 Pa，源材料加热到925℃，然后通过质量流量计向反应室通入纯氮气和纯氧气，氮气流量为99sccm，氧气流量为1sccm，在1300Pa压强下生长30 min。

本例生长的斜向ZnO纳米线阵列如图1所示，ZnO纳米线与衬底表面呈60°夹角，ZnO纳米线直径为150~200nm，长度为10~15μm，ZnO纳米线密度较大，规则排列。

实施例2：

1）以m面蓝宝石为衬底，利用脉冲激光沉积方法预先生长一层厚度为100nm的（100）取向ZnO薄膜为籽晶层。