[发明专利]制备有机聚合物包裹单晶氧化锌共轴复合纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子纤维——有机聚合物与半导体单晶共轴复合纳米线的制备方法，是一种气相传输法结合静电纺丝制备有机聚合物包裹单晶氧化锌的纳米线共轴复合结构的方法。

背景技术

纳米材料的结构和形貌对纳米材料的性能和应用有很大的影响。特定结构和形貌的纳米晶体材料对于开发纳米材料应用功能的新领域有重要的意义。近来，一维半导体材料被广泛深入地研究，主要关注其单晶性(高电子迁移率)和单向性，并可以在无组织衬底(晶格不严格匹配)上收集活生长。因此，它们有望成为高性能(接近单晶器件)大面积电子或光电子器件很好的替代品。尽管如此，在一个设计好图案的衬底上直接大面积生长这些纳米线是很困难的，而且要使这些纳米线以平行排列的方式分布在大面积的衬底上也是一个巨大挑战。虽然有一些方法可以使它们平行排列，比如液体聚集法和电泳法，其均匀性也仍然是一个问题，尤其是在大面积范围内分布均匀。该专利中，我们设计了一种方法来制备电子纤维，即一种绝缘材料(塑料或无机物)包裹半导体纳米线的共轴复合纤维。该电子纤维可以像光纤一样做成卷形物，可以被印制或压制在几乎任何衬底上来制作器件或系统。原则上来说，这样的器件可以有该半导体所应有的基本性能(诸如体单晶材料的性能)。下面的文字中我们将以ZnO作为代表来阐释这种电子纤维的概念。

在众多纳米材料中，半导体纳米结构引起了人们广泛关注，而氧化锌的纳米结构更是普遍感兴趣的研发热点。氧化锌是一种具有60meV激子束缚能和3.37eV宽直接带隙半导体。纳米结构的氧化锌由于其较大的表面积和良好的光、电、磁性能而备受重视，它有望在生物传感器、气体传感器、储氢器件、金属-离子电池、电化学超级电容、光电池、平板显示等领域有很好的应用前景。

目前，静电纺丝法是一种广泛用于制备多种在有机聚合物纳米纤维的方法，也有不少人运用该方法进行了氧化锌纳米纤维的制备，但是与其它化学方法，如气相传输法、高温分解方法、水热分解法等等相比，静电纺丝得到的氧化锌纳米纤维结晶性相对较差，难以形成单晶结构。氧化锌与其它有机聚合物的复合纳米纤维制备也存在同样问题。因此研究出一种操作方便，产量丰富，晶体性质好，结构均匀的氧化锌单晶纳米线与聚合物的共轴复合纳米结构制备方法对开发新的材料及进一步研制新型纳米功能器件均有着重要意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种制备结构均匀的电子纤维——有机聚合物与单晶氧化锌纳米线共轴复合纳米结构的方法。该方法简化了试验装置，大大降低了用聚合物与醋酸锌混合溶液进行静电纺丝获得共轴复合纤维的难度。本发明中获得的有机物包裹氧化锌复合纳米线中，氧化锌纳米线呈单晶态，具有很好的光电特性，更利于制成各种性能优越的光电器件，从而为新型纳米光电功能器件的设计提供了更为灵便的空间。

技术方案：本发明是一种制备有机聚合物包裹单晶氧化锌共轴复合纳米线的方法：

本发明制备方法包括如下步骤：

步骤一：制备单晶氧化锌纳米线：以硅、蓝宝石或石英当中的任何一种为衬底，用氧气和氩气作为载气，以锌粉作为原材料在600-750℃条件下，或以氧化锌粉末与碳粉的混合物为原材料，在1050-1150℃、气压恒定0.09MPa条件下，反应30分钟，得到单晶氧化锌纳米线；

步骤二：制备聚合物与氧化锌的混合溶液：将步骤一中得到的单晶氧化锌纳米线，混入已配好的聚合物溶液中，经搅拌得到均一聚合物与氧化锌的混合溶液；

步骤三：制备聚合物包裹单晶氧化锌纳米线的共轴复合结构：将步骤二中得到的聚合物与氧化锌的混合溶液，进行静电纺丝，得到聚合物包裹单晶氧化锌纳米线的共轴复合结构，所获得的共轴复合纳米结构中氧化锌呈单晶态。

本发明制备方法步骤一中通入氧气和氩气体积比是1∶20，步骤二中聚合物溶液为聚乙烯醇、聚甲基苯烯酸乙脂、硅橡胶、聚苯乙烯中的任何一种，单晶氧化锌纳米线与聚合物溶液质量比是在1∶20到1∶40之间。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明融合了两种方法纳米纤维的制备技术，用来获得有机物聚合物与单晶氧化锌纳米线的共轴复合纳米结构。通过气相传输法先制备氧化锌单晶纳米线，保证了静电纺丝法制备的复合纳米线中氧化锌纳米线的优良的结晶性。只要用普通的静电纺丝装置就可以获得共轴纳米结构，简化了试验装置，大大降低了用聚合物与醋酸锌混合溶液进行静电纺丝获得共轴复合纤维的难度。