[发明专利]在锌片基底上制备玉米状多级结构氧化锌纳米棒阵列薄膜

说明书

技术领域

本发明是关于一种在金属锌片上制备玉米状多级结构ZnO纳米棒阵列薄膜的方法，尤其是溶液法制备ZnO纳米棒阵列薄膜的方法。属于无机纳米功能材料制备技术领域。

背景技术

氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，在光电、信息及传感等领域都有广阔的应用前景。而纳米ZnO材料具有比表面积大、化学稳定性强、电导率高、电化学活性等优点，同时具有优良的生物相容性，生物安全性和生物降解性等。另外，纳米ZnO具有很强的自组织生长能力，在稳定的制备条件下，其分子间相互作用很明显，分子能严格按照晶格排列外延生长，形成成分单一、配比完整的结构。通过不同生长手段制备的ZnO纳米材料具有丰富的形貌：颗粒、花状、带状、针状、片状、塔状、笼状及许多复合结构，为设计制备微小尺寸结构精密的纳米器件提供了条件，在光电、信息、及传感等领域都有广阔的应用前景。

目前制备ZnO纳米材料的方法主要气相运输法、热蒸发法、电化学沉积法、水热溶液法、溶胶-凝胶法、沉淀法等。目前大多数ZnO纳米材料合成方法由于有气相参与，制备温度高，反应设备复杂，制备成本高，因此液相合成越来越受到重视。尤其是多种合成手段的结合使用，在ZnO纳米阵列材料的制备中愈发普及。例如用磁控溅射或Sol-Gel法提拉、旋涂在基底材料上制备晶体种子层，再通过沉淀法或水热法、电化学沉积等手段两步生长ZnO纳米棒阵列。两步法制备种子层的过程有的复杂，需要精细的重复操作；有的成本较高，需要高温高压设备。

本发明用金属锌片作为基底材料，可直接通过高温氧化得到一层ZnO纳米颗粒种子层，并在溶液中生长得到取向优良的ZnO纳米棒阵列，同时通过在纳米棒生长期间加入结构导向剂巯基丁二酸，最后获得中间是纳米棒为芯、外壳是ZnO晶粒层层堆叠的玉米状多级ZnO纳米棒，并且可以大规模制备成阵列薄膜。更重要的是，采用这种方法制备的多级结构纳米棒阵列，其外壳晶粒间具有活性的羧酸基团，容易进行表面化学改性，使纳米材料与化学分子或生物分子牢固连接，以使这种薄膜更具有广泛的实用意义，可以用于电子信息、光电信号、生物信息检测及疾病诊断分析中。

发明内容

本发明的目的是为了使组成阵列薄膜的ZnO纳米棒通过改性生长成玉米状的多级纳米结构，首次提出了使用金属锌片作为基底材料，通过高温氧化过程简化了晶种层的获取，并在ZnO晶体生长过程加入巯基丁二酸改性的方法。

一种采用水热化学沉积法在锌片上制备玉米状多级结构ZnO纳米棒阵列薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：

(a) 首先对锌片进行打磨、清洗，再将其置于150~380^oC的马弗炉中保温处理0.3~1.5h，从而在锌片表面获得厚度约0.2~1μm的ZnO纳米颗粒种子层；

(b) 将等摩尔的六水合硝酸锌与六次甲基四胺溶解于蒸馏水中，配成浓度为0.01~0.5mol/mL的阵列生长体系溶液；

(c) 将上述处理后的锌片垂直插入60~95^oC的阵列生长体系溶液中保温生长，在0.5~8h时加入浓度为0.0005~0.01 mol/L的巯基丁二酸溶液，其与阵列生长体系溶液体积比为1~3:10，然后继续保温生长6~14h后降温并取出锌片；

(d) 用温度为30~80^oC的蒸馏水冲洗锌片上的阵列3~5次，然后在室温下晾干，即在锌片表面获得了棒芯直径为40~200nm、外壳粒径为10~80nm、棒长为0.2~2μm的玉米状多级结构ZnO 纳米棒阵列薄膜。

本发明的有益效果是，在控制ZnO纳米棒生长过程中（棒芯直径从50纳米到200纳米之间，外壳晶粒从10纳米到80纳米，纳米棒总长度从200纳米到2微米之间，），又能控制ZnO晶体组成的纳米结构形貌，并在表面修饰上有用的有机官能基团。这种方法缩短了工艺流程，节约了能源，可以实现规模生产应用，具有更广泛的实用意义。

附图说明

图1. 玉米状多级结构的ZnO纳米棒阵列俯视扫描电子显微镜照片；

图2. 棒芯50nm、外壳晶粒尺寸20×60nm、棒长500nm的玉米状多级结构ZnO 纳米棒阵列侧面扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例及对比实施例对本发明作详细阐述，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。