[发明专利]一种锥形氧化锌亚微米棒及其阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种亚微米棒氧化锌材料的制备方法，特别是涉及一种采用高温气相蒸镀法制备具有亚微米尺寸的六方锥形的氧化锌亚微米棒的方法。

背景技术

氧化锌(ZnO)是一种重要的II-IV族直接宽带隙半导体材料(其禁带宽度为3.37eV)，在室温下具有较大的激子束缚能(60meV)，能在室温及更高温度下受激产生近紫外的短波长光。自从1997年观测到其纳米微晶结构的薄膜在室温下光泵受激紫外发射后，己经迅速成为短波半导体激光发射材料研究的国际热点。

与普通ZnO相比，亚微米ZnO展现出许多优异和特殊的性能，如在压电性能、近紫外发射、透明导电性、生物安全性和适应性等，使得其在压电材料、紫外光探测器、场效应管、表面声波、太阳能电池、气体传感器、生物传感器等领域拥有广阔的应用前景。

氧化锌又是一种同时具有半导体和压电双重性质的功能材料，具有良好的导电、导热和化学稳定性。在所有的材料中，氧化锌的结构和性质是最丰富的，其丰富的结构和性质使得氧化锌在光学、光电、传导、传感、以及生物等不同领域有许多潜在的应用，如光子晶体、光发射二极管、光探测器、光敏二极管、气体传感器、太阳能电池、光电器件、传感器和光催化等。到目前，氧化锌亚微米棒、纳米管、纳米环以及海胆状、骨状、羽毛状形貌和结构等已经通过溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、电化学沉积法等多种方法成功制备。当前，寻求氧化锌的新结构、新性质和新的应用领域己成为材料研究重点之一。尤其，一维氧化锌微/纳结构己经吸引了更多人的关注，主要是因为其展现出来的近紫外发射，光透性，电导性，压电性等。此外，一维氧化锌微/纳米棒阵列己经成为传感器，场发射，太阳能电池和表面声波导等应用方面的重要选择，这也激发了许多人利用多种方法制备一维氧化锌微、纳米结构的兴趣。

目前，人们虽然已能够合成具有不同形状的氧化锌纳米结构以及氧化锌亚微米棒聚集体，但是，所使用的方法局限于化学和物理气相沉积，这种方法很难实现产业化生产。即便有一些研究者利用化学方法制备了氧化锌亚微米棒的聚集体，但是所获得的结构和亚微米线的尺寸很难控制。此外，可工业化量产级别的氧化锌亚微米棒的控制制备也没有很好的解决办法。

由于锥形氧化锌亚微米棒可以作为一种高效的压电发电材料，因此与其相关的合成方法的开发正在成为研究热点。传统的湿化学合成方法很难对锥形形貌进行控制。目前迫切需要一种简单的合成锥形氧化锌亚微米棒的方法。

发明内容

本文中所使用的术语，除非另外指出，是根据其常规的用法来使用：

如本文所使用的，术语“亚微米”是指尺寸为100nm-50μm；

如本文所使用的，术语“六方锥形”是指类似于六棱柱形状，上下顶面平行，六条侧棱的延长线可以汇聚一点，六个侧面也不平行的形状；

如本文所使用的，术语“高纯”是指物质的纯度在99.999％以上。以下实验用的气体都是高纯气体。

本发明的目的在于：提供一种简单的合成锥形氧化锌亚微米棒的方法，在高温反应中调节通入氧气的进气速率，将会产生一种六方锥形的氧化锌亚微米棒，所制备的氧化锌亚微米棒的表面无表面活性剂包裹，该制备方法通过控制反应条件，可以实现单个氧化锌亚微米棒直径和长度的可控调节。例如，在不同的进气速率改变的条件下，单根六方锥形氧化锌亚微米棒的两端的直径在1-2微米和5-10微米，长度在30微米-50微米范围。

一方面，本发明提供了一种制备六方锥形氧化锌亚微米棒或其阵列的方法，所述方法包括以下步骤：

1)称取氧化锌和碳粉，将其混合形成反应物，放入容器中；

2)将硅片洗净，并放置在步骤1)所述容器的上方，所述硅片与所述容器之间的距离为1-8毫米；

3)将步骤1)中的容器和步骤2)中的硅片放入反应炉内，并且使硅片所处位置位于反应炉的正中心；

4)抽真空，使反应炉以10-20℃/min升温，同时以50-150sccm的量来通入氮气，反应需要40-60min并升温至950-1050℃，且升温过程中保持压强在1-12kPa(10-120mbar)；

5)当温度达到950-1050℃，停止通入氮气，以50-100sccm的量通入氧气，通入时间为20-40min，并且在通入的过程中使氧气的通入量以1-5sccm下降或上升，待反应结束后停止通入氧气，自然冷却，即得六方锥形氧化锌亚微米棒或其阵列。

优选地，在所述方法的步骤5)中，所述温度达到960-980℃，优选为980℃。