[发明专利]一种在有机柔性材料上电化学制备海胆状氧化锌纳米线阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在有机柔性材料上制备海胆状氧化锌纳米线阵列的方法，该阵列薄膜可应用于纳米晶太阳能电池、纳米传感器等领域。

背景技术

氧化锌(ZnO)作为一种新型的半导体材料，在室温下可以获得高效的激子发光，且在紫外波段具有强的自由激子跃迁发光。在各种一/三维纳米结构中，由于ZnO纳米线的表面积巨大，从而产生表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，在催化、光电、磁性、敏感等方面具有许多特殊性能和新用途，加上原材料资源丰富、价格便宜，对环境无毒无害，适合于薄膜的外延生长，在信息光电领域有广泛的应用前景，成为近年来新的研究热点。

目前，制备三维ZnO阵列的方法有化学气相沉积法和液相生长法。化学气相沉积法通常用锌粉或氧化锌粉作为原材料，在较高温度下通过气相输送，然后在合适的温区沉积，最后得到不同相貌的氧化锌。这种方法需要高温，有时还需要催化剂，最大缺点在于生长过程不易控制、重复性差。液相生长法通常在基底上制备一层氧化锌的纳米晶作为种子层，然后在60～90℃的锌盐溶液中浸泡一段时间，从而得到氧化锌纳米线阵列。该方法的反应条件温和、成本低、产物均匀，但所需的前驱体反应物相对复杂，而且产物容易污染，不易提纯，结晶性不高。

电化学合成法是近年来被广泛应用的一种合成方法，它具有环保，反应条件温和，过程可控，并易于自动化操作等优点，已经成为合成金属氧化物纳米线的一种有效方法，制备的ZnO纳米线是由ZnO纳米晶组成，高度和直径均可调控，具有良好的光学和电学性能，可广泛应用于纳米晶太阳能电池、纳米传感器等领域。

发明内容

本发明涉及利用电化学沉积的方法，通过调控电化学沉积的工艺参数，包括氯化钾(KCl)和氧化锌(ZnCl₂)的浓度，以及电化学沉积的电量(Q)，来调控纳米线阵列的直径和高度，以聚苯乙烯微球阵列为模板，在微球表面制备ZnO纳米线，从而获得放射状、海胆形氧化锌纳米线阵列。通过控制沉积电量，可连续调控ZnO纳米线阵列的高度和直径。

为实现上述目的，本发明采用以下的操作步骤：

采用自组装法在有机柔性材料上制备聚苯乙烯微球阵列；在氯化锌溶液里用电化学方法在微球阵列表面沉积制备高度取向的ZnO纳米线阵列，从而获得放射状、海胆形氧化锌纳米线阵列。

所述的采自组装法在有机柔性材料上制备聚苯乙烯微球阵列的方法，采用以下步骤：

1.在恒温60-80℃下，将有机柔性材料基板依次在三氯乙烯(C₂HCl₃)、丙酮(CH₃COCH₃)、异丙醇(CH₃CH(OH)CH)溶剂里进行超声清洗10-25min，然后用超纯水冲洗干净，最后用氮气吹干。

2.在干净的有机柔性材料基片用自组装法沉积直径为微米级别的单层聚苯乙烯微球，随后基片在空气中自然晾干。

3.将附着有聚苯乙烯微球阵列的有机柔性材料基片浸入1-2M的ZnCl₂溶液里处理45-60min后取出，作为电沉积氧化锌纳米线的工作电极。

所述的在氯化锌溶液里用电化学方法在微球阵列表面沉积制备高度取向的ZnO纳米线阵列，采用以下步骤：

1.采用标准三电极的电沉积系统，附着有聚苯乙烯微球阵列的有机柔性材料基片作为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。

2.配置ZnO纳米线电沉积溶液，1-5x10^-4M的ZnCl₂为电沉积前驱物，0.1-3.4M的KCl为支持电解质。

3.在电沉积开始前，溶液在70-80℃恒温下，通氧气10-20min。在电沉积过程中，一直对溶液做鼓泡通氧处理。

4.对工作电极施加-1V vs饱和甘汞电极，沉积电量Q为2.5-50C/cm²，当Q超过设定值时，仪器自动停止工作。

5.取出样品，用去离子水冲洗干净后，用氮气吹干，制成放射状、海胆形氧化锌纳米线阵列。

工作电极上的反应由反应(1)、(2)和化学反应(3)组成

O₂+2H₂O+2e^-→H₂O₂+2OH^-    反应(1)

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-         反应(2)