[发明专利]一种碳热还原制备较高长径比ZnO纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳热还原制备高长径比的ZnO纳米线材料的方法，属化学化工材料制备技术领域。

背景技术

氧化锌是一种重要的金属氧化物半导体材料，纳米氧化锌（纳米线、纳米棒等）由于其特殊的性质在紫外激光器、光探测器、气体和化学传感器及染料敏化太阳能电池中得到了巨大关注。

碳热还原制备ZnO纳米线的原理主要有气-固生长机理和气-液-固生长机理。气-液-固机制的主要内容：在一定温度下，化学还原或气相反应生成蒸汽，气相分子与作为催化剂的熔融态金属颗粒形成共熔体，达到过饱和后，所需要的材料从催化剂中析出形核，由于气相分子不断地进入到液态金属中溶解、析出，从而使晶体得以生长。对于气-固机制：在一定温度下，原料气化形成蒸汽，蒸汽传输并在基底上冷凝、成核，随着蒸汽的不断传输使晶体生长，在这个过程中最初形成的晶核与金属催化剂的作用相同，属于自催化过程。由于其生长过程中涉及气相和液相的存在，因此称做气-固生长。

杨培东等利用碳热还原法在金作为催化剂条件下，制得了长度为10-20微米的氧化锌纳米线；学者李君等利用气相沉积法，以AAO为模板合成了致密、有序的ZnO纳米线阵列；学者陆君等采用气相诱捕的CVD法合成了具有高载流子浓度，不含其它杂质的n型ZnO纳米线。上述几种方法都得到了氧化锌纳米线，但制备工艺相对比较复杂，需在硅片基底上蒸镀金属催化剂（Au、Pt等）或者需要在惰性气体（Ar、N₂等）作为载气下制得，所需制备条件要求较多，成本较高。

发明内容

    本发明的目的在于针对现有技术中比较复杂的工艺及高成本，提供一种能够简单、低成本得到ZnO纳米线的制备方法。

    为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

    一种碳热还原制备高长径比ZnO纳米线材料的方法，其特征在于具有以下过程和步骤：a.将摩尔比为1:1的普通氧化锌粉末与活性炭置于玛瑙研钵中，充分研磨混合，转移至氧化铝瓷舟中，置于管式炉加热区中心位置；b.再将清洗干净的Si（100）放在另一瓷舟上，慢慢放进管式炉内使其紧挨上述瓷舟，用塞子堵上管式炉的一端；c.打开管式炉，设定程序：从室温以10℃/min的升温速率升高到950℃，并保温30min，自然冷却至室温；d.将放有硅片的瓷舟取出，在硅片上可得到白色的ZnO纳米线材料。

本发明采用控制原料的配比、升温速率以及反应温度和反应时间等条件，制备得到长径比约为200的ZnO纳米线；其纯度较高，工艺简单无需在硅片上蒸镀催化剂且不需要通入载气，制备成本较低。

本发明的发明机理：本发明方法制备氧化锌纳米线属于气-固机制，在反应过程中，活性炭首先将氧化性还原生成锌蒸汽与CO_x(x=1或2)，CO_X也可与氧化锌发生还原反应；生成的锌蒸汽与空气中的氧气反应生成氧化锌蒸汽，氧化性蒸汽传输到较低温度的硅片基底上冷凝、成核，最终的到氧化锌纳米线。

附图说明

图1为本发明方法制备的产品的扫描电子显微镜（SEM）谱图；

图2为本发明方法制备的产品的扫描电子显微镜（SEM）谱图；

图3为本发明方法制备的产品的X-射线粉末衍射（XRD）谱图；

图4为本发明方法制备的实验装置的简单示意图。

具体实施方式

    现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例

    一种高长径比ZnO纳米线材料的制备方法，其特征在于具有以下过程和步骤：

A.将0.8139g普通氧化锌粉末和0.12g活性炭置于玛瑙研钵中，研磨10-15min，使二者充分混合，转移至氧化铝瓷舟中，置于管式炉加热区中心位置；

B.再将清洗干净的Si（100）放在另一瓷舟上，慢慢放进管式炉内使其紧挨上述瓷舟，用橡皮塞堵上管式炉的一端（具体见附图4）；

C.打开管式炉，设定程序：从室温以10℃/min的升温速率升高到950℃，并保温30min，自然冷却至室温；

D.将放有硅片的瓷舟轻轻取出，即可在硅片上可得到白色的ZnO纳米线材料。

用X-射线粉末衍射(XRD)以及扫描电子显微镜(SEM)等表征手段对产品的晶相、形貌以及尺寸等进行分析。分析结果参见附图1、2和3所示；用本发明方法可成功制造出由六方纤锌矿的氧化锌纳米线材料。

参见图1，图1为白色的纳米线SEM图，由图可知得到白色氧化锌纳米线的长度大约为100μm；