[发明专利]氧化锌纳米棒阵列薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体薄膜制备技术领域，尤其涉及一种氧化锌纳米棒阵列薄膜的制备方法。

背景技术

氧化锌是一种宽带隙（3.37 eV）的半导体材料，具有良好的光电、压电、催化等性能。近年来，随着纳米技术的发展，科学家们发现一维ZnO阵列结构在传感器、发光二极管、太阳能电池及纳米发电机等领域具有良好的发展前景，制备纳米线、纳米棒、纳米管等一维氧化锌是国内外研究热点之一。

ZnO作为一种宽禁带透明半导体材料，激子结合能高达60 meV，具有优良的激子复合发光性能，适用于研制紫外激光器。

在申请人之前的专利（一种控制氧化锌纳米棒、纳米管阵列取向和形貌的方法，CN200810016893.3）中，曾提出一种液相法制备ZnO纳米棒/纳米管的方法，但水热反应温度是在低于100 ℃条件下，生长2-12小时获得垂直生长的ZnO纳米棒阵列薄膜，ZnO纳米棒的长度不超过10 μm，而且结晶质量较差，使得其光致发光性能在500-700nm区间内有一个明显的缺陷发射峰，本征发射峰相对较弱，无法满足ZnO纳米棒阵列薄膜器件性能要求。

目前，对于超长ZnO纳米线阵列薄膜报道的很多，例如L. Wen,等人利用化学气相法，在950 ℃的高温下，成功的在硅片上制备出180 μm超长ZnO纳米棒阵列薄膜，（L. Wen, K. M. Wong, Y. Fang, M. Wu, Y. Lei. Fabrication and characterization of well-aligned, high density ZnO nanowire arrays and their realizations in Schottky device applications using a two-step approach, J. Mater. Chem., 2011, 21, 7090-7097），Di Gao等利用两步低温（82-87度）水热法成功制备了30 μm 的ZnO纳米棒阵列薄膜，（C. Xu and D. Gao. Two-Stage Hydrothermal Growth of Long ZnO Nanowires for Efficient TiO2 Nanotube-Based Dye-Sensitized Solar Cells, J. Phys. Chem. C, 2012, 116 (12): 7236–7241.），Jijun Qiu等利用低温水热法制备40 μm的高长径比超长ZnO纳米棒阵列薄膜，（J. Qiu, X. Li, W. He, S. J. Park, H. K. Kim, Y. H. Hwang, J. H. Lee, Y. D. Kim. The growth mechanism and optical properties of ultralong ZnO nanorod arrays with a high aspect ratio by a preheating hydrothermal method, 2009, 20(15): 155603.） 但在他们工作中，都没能获得高结晶质量及高紫外光发射的ZnO纳米线阵列薄膜，因此合成高结晶质量，低表面缺陷的ZnO纳米棒阵列薄膜，对其在光电器件中应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供了一种氧化锌纳米棒阵列薄膜的制备方法，本方法可实现ZnO纳米棒在具有ZnO种子层或与纤锌矿ZnO具有相似晶格的衬底上外延生长；通过控制水热生长温度、生长溶液的组成及体积等因素，可以使ZnO纳米棒的长度高达100 μm，是目前溶液法制备ZnO纳米棒最高长度。并且，通过该方法获得的超长ZnO纳米棒结晶质量及光致发光性能显著提高。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：氧化锌纳米棒阵列薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1）采用高度（001）取向的ZnO作为种子层，将ZnO种子层放入硝酸锌（Zn(NO₃)₂）、聚乙烯亚胺（PEI）和六次甲基四胺（HMT）水溶液中外延生长得到（001）择优取向的超长ZnO纳米棒阵列薄膜；

2）对薄膜进行快速退火处理，提高ZnO阵列薄膜光致发光性能。

本发明所述ZnO种子层采用溶胶-凝胶旋涂法、提拉法、喷涂法、磁控溅射、化学气相沉积或激光脉冲沉积方法在多种衬底上制备。

本发明所述的溶胶-凝胶法在多种衬底上制备实心或中空ZnO种子层薄膜方法，采用以下步骤：