[发明专利]一种石墨烯衬底上ZnO分级纳米阵列及其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及ZnO分级纳米阵列及其制备方法，特别涉及生长石墨烯衬底上的ZnO分级纳米阵列及其制备方法、应用。

背景技术

氧化锌ZnO(室温带隙宽度为3.37eV)是Ⅱ-Ⅵ族纤锌矿结构的直接带隙半导体材料，束缚激子结合能高达60meV，同时氧化锌原材料丰富，价格低廉，对环境无害等优点，被广泛应用于表面声波器件、微电子以及光电子器件等领域。目前，一维ZnO纳米阵列已被证实具有独特的物理特性，如量子尺寸效应，表面效应等，是当前国际纳米光电子器件领域的的前沿和热点。一维ZnO纳米阵列是重要的一维纳米光电子器件的构件。基于ZnO异质纳米结构已广泛应用于场效应晶体管、气体传感器，光探测器，太阳能电池，光催化，压电驱动器。石墨烯作为最薄的单原子层二维材料，具有极高的载流子迁移率(230000cm2/V·s)、高的热导率(3000W/m·K)以及优越的光学特性(单层石墨烯的吸收率为2.3％)和力学特性(抗拉强度高达130GPa)，这说明石墨烯为制备高效、柔性、高性能器件提供了优良的可行性。但是，很难直接在纯净的石墨烯薄膜层上外延生长一维ZnO纳米阵列。这主要源于纯净的石墨烯薄膜其sp2杂化C原子层表面性质稳定，无多余悬挂键用于提供给金属原子进行反应形核，从而导致ZnO形核率低，难以直接生长ZnO纳米阵列。因此石墨烯衬底上生长ZnO纳米阵列一直是研究的热点和难点。

居多研究者采用了相关措施增加ZnO在石墨烯层上的形核率，归纳主要有以下两种办法：(1)在石墨烯衬底上预沉积金属Au或Ni等，通过添加金属催化剂以增加ZnO形核密度，后通过VLS法(Vapor-Liquid-Solid)催化生长一维ZnO纳米阵列，但是，催化生长法易在材料中引入金属污染物。(2)在石墨烯衬底上预沉积ZnO种子形核层。通过插入预先沉积ZnO种子层等作为形核层，然后通过水热法合成一维ZnO纳米阵列。但是，水热法ZnO种子层无法均匀的分布在石墨烯衬底上，因此需要在石墨烯先预沉积其他修饰层物质，比如导电聚合物，使得增添外来杂质，并且添加有机物使得器件使用温度降低。

由此可见，要使石墨烯上ZnO基高效、柔性、高性能器件真正实现广泛应用，最根本的办法就是解决石墨烯衬底上一维ZnO纳米阵列形核难的问题，实现在石墨烯层上无催化并不引入杂质地直接生长一维ZnO纳米阵列。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的之一在于提供一种生长在石墨烯纳米片衬底上的分级ZnO纳米阵列，具有形核简单、高质量、柔性、高导热等优点，且制备成本低廉。本发明的目的之二在于提供上述石墨烯纳米片衬底上的分级ZnO纳米阵列制备方法。本发明的目的之三在于提供上述石墨烯纳米片衬底上的分级ZnO纳米阵列的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种石墨烯衬底上分级ZnO纳米阵列，包括石墨烯纳米片衬底以及石墨烯纳米片衬底上无催化CVD生长的分级ZnO纳米阵列，所述的石墨烯纳米片旋涂于Si或蓝宝石衬底上。

一种石墨烯衬底上分级ZnO纳米阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用石墨烯纳米片为衬底，将制备的石墨烯纳米片旋涂于Si或蓝宝石衬底上，旋涂数次1-3次，旋涂速度1000-6000rmp；

(2)将步骤(1)中石墨烯纳米片旋涂的衬底放入CVD水平管式炉中，采用化学气相沉积CVD法无催化生长分级ZnO纳米阵列，通过控制管式炉工艺参数气氛流量的氧气流量、氩气流量；生长温度；生长时间，石墨烯衬底放置位置于1-3cm直径石英管中，最终直接无催化无损伤地生长出分级ZnO纳米阵列。

进一步的，所述的石墨烯衬底上分级ZnO纳米阵列的制备方法，步骤(1)中制备的石墨烯纳米片直径为5-100um，厚度为0.5-2nm，浓度为0.1-1mg/ml。

进一步的，所述的石墨烯衬底上分级ZnO纳米阵列的制备方法，步骤(2)中控制管式炉工艺参数如下，气氛流量：氧气流量为40-200sccm，氩气为40-200sccm；生长温度：600-800℃；生长时间：30-120min。

进一步的，所述的石墨烯衬底上分级ZnO纳米阵列的制备方法，控制管式炉工艺参数如下，气氛流量：氧气流量为100sccm，氩气为100sccm；生长温度：700℃；生长时间：60min，石墨烯衬底放置于2cm直径石英管中。

进一步的，所述的石墨烯衬底上分级ZnO纳米阵列的应用，该分级ZnO纳米阵列用于制备ZnO基紫外光电探测器。