[发明专利]一种树枝状中空氧化锌纳米棒阵列的制备方法

说明书

本发明公开了属于材料科学与工程技术领域的一种树枝状中空氧化锌纳米棒阵列的制备方法。包括以下步骤：对锌片进行表面处理；模压成型；卸载；脱模；在碱性溶液中静置。本发明方法不需要传统水热法的高温高压条件，同时避免了任何有机添加剂的使用，此外在合成过程不引入额外的锌源。本发明所述方法，在低温、常压的条件下利用浸泡法制备出结晶度良好且形貌可控的树枝状中空氧化锌纳米棒阵列，具有操作简单，成本低廉，环境友好等优点，有望实现树枝状中空氧化锌纳米棒阵列的大规模可控制备，对于揭示氧化锌的生长原理，推动氧化锌实际应用具有重大而深远的意义。

技术领域

本发明属于材料科学与工程技术领域，尤其涉及一种树枝状中空氧化锌纳米棒阵列的制备方法。

背景技术

氧化锌是一类直接带隙半导体材料，室温下它的禁带为3.37eV，激子结合能为60meV；电子在氧化锌中的迁移率要比在二氧化钛中高2-3个数量级；由于其晶体结构缺乏对称性，氧化锌还具有压电性质。得益于氧化锌一系列独特的物理化学性能，氧化锌可应用于电子、光电子、电化学、机电等领域。氧化锌的另一个独特的优势在于其纳米结构的多样性，在众多的氧化锌纳米结构中，一维氧化锌纳米棒阵列由于具有良好的结构稳定性，大的比表面积，优异的电荷收集能力以及定向载流子传输通道等优势而受到了广泛的关注和研究。但是基于氧化锌纳米棒阵列的器件的效率普遍偏低，这主要是因为与纳米颗粒相比氧化锌纳米棒阵列的比表面积较小。

提高氧化锌纳米棒阵列比表面积的一个有效的策略就是在原始的氧化锌纳米棒表面生长二级分枝，由此得到的树枝状氧化锌纳米棒阵列即继承了一维氧化锌纳米棒阵列的所有优势，同时还具有大比表面积，高体积填充率等优势从而极大地提高了氧化锌基器件的效率。

最常用于制备树枝状氧化锌纳米棒阵列的方法为三步晶种法，其典型的流程为首先在特定基底上生长氧化锌纳米棒阵列，然后在初级氧化锌纳米棒的表面沉积氧化锌晶种或者是金属催化剂，最后利用水热等方法生长二级氧化锌分枝。虽然三步法得到了广泛的应用，但是该方法还是存在一些严重的缺陷从而限制了它的发展。比如三步法需要较高的反应温度，合成时需要使用有机添加剂，由于多步合成导致重复性较差，最重要的是三步法不能有效调控树枝状氧化锌纳米棒阵列的形貌。因此发展一种环境友好，低成本且能够在较低温度下制备形貌可控的树枝状氧化锌纳米棒阵列的方法对其实际应用具有广泛而深远的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种树枝状中空氧化锌纳米棒阵列的制备方法，包括如下步骤：

1)表面处理：将锌片的一面进行抛光和清洗，得到一侧表面光滑的抛光锌片；

2)模压成型：将步骤1所得抛光锌片的光滑面与双通多孔阳极氧化铝模板叠放于模具中固定，加热并保温，使模板与锌片温度一致；随后施加压力，并在该条件下保温保压；所述温度高于锌的再结晶温度，所述压力大于锌在该温度下的屈服强度；

3)卸载：卸载模具压力，然后冷却至室温，取下模板和锌片，得到此时，锌片与模板紧密贴合，并形成与模板孔道相对应的锌纳米棒阵列；

4)脱模：将步骤3)所得的锌纳米棒阵列和模板置于碱性溶液中，模板被腐蚀，溶于碱性溶液中，得到以锌片为基底的锌纳米棒阵列；

5)碱液静置：将步骤4)所得的锌纳米棒阵列在碱性溶液中常压浸泡，制得树枝状中空氧化锌纳米棒阵列。

所述步骤2)中模具的材质为高温合金或硬质合金，其内腔横截面形状与尺寸与锌片、模板一致，以保证成型时锌片表面各处压力一致。

所述步骤2)压力为200～500MPa，温度为室温至熔点一半的温度，保温保压时间为20～120分钟。

所述步骤4)中，所述碱性溶液中氢氧根浓度为0.3～0.4mol/L，腐蚀温度为25℃，腐蚀时间为60分钟。