[发明专利]一种塔形层状氧化锌纳米棒及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种塔形层状氧化锌纳米棒及其制备方法和应用。

背景技术

半导体纳米材料是制作晶体管、集成电路、电子器件以及光电子器件的重要基础材料，支撑着电子信息产业的发展。我们经常听到和见到的半导体纳米材料主要有Si，GaN以及GaAs等，但是这些纳米材料资源消耗量大，有些纳米材料对环境有污染，并且其高昂的价格也在很大程度上限制了在半导体领域中的应用，这些都会影响到未来半导体行业的发展。所以，急需寻求一种新型半导体纳米材料，在一定程度上来解决这些问题。

氧化锌(ZnO)是一种重要的IVB(II-VI)族宽带隙半导体材料(六方纤锌矿结构，室温下的能隙宽度为3.37eV)，在室温下具有较大的激子束缚能(60meV)，能在室温及更高温度下受激产生近紫外的短波长光。

纳米ZnO材料展现出许多优异和特殊的性能，纳米ZnO材料具有独特的物理化学性质，其优异的特性和应用前景使其备受关注。与GaN相比，它不但具有与其相似的晶格特性和电学特性，而且还具有较高的熔点(1975℃)和激子束缚能(60meV)。此外，纳米ZnO材料具有制备成本低、外延生长温度低和无毒无害等优点。同时，纳米ZnO材料具有光电、压电等效应，因而提供了其在电学、光学器件上应用的可能。近年来，随着纳米技术的发展，ZnO纳米结构也成为纳米领域的研究焦点，并且在器件上也得到了广泛的应用。

到目前，氧化锌纳米棒、纳米管、纳米环以及海胆状、骨状、羽毛状形貌和结构等已经通过溶胶-凝胶法、化学气相沉积法以及电化学沉积法等多种方法成功制备。当前，寻求氧化锌的新结构、新性质和新的应用领域已成为材料研究重点之一。

一维氧化锌纳米结构因其展现出来的近紫外发射、光透性、电导性和压电性等性能已经引起了更多人的关注，一维氧化锌纳米棒阵列已经成为传感器，场发射，太阳能电池和表面声波导等应用方面的重要选择，这也激发了许多人利用多种方法制备一维氧化锌纳米结构的兴趣。

目前，人们虽然已能够合成具有不同形状的氧化锌纳米结构，但是，所使用的方法局限于化学和物理气相沉积法，这些方法成本过高，可重复性差，很难实现产业化生产。即便有一些研究者利用化学方法制备了氧化锌亚微米棒聚集体，但是，所获得的结构和纳米棒的尺寸很难控制，此外，可工业化量产级别的氧化锌纳米棒的控制制备也没有很好的解决办法。

由于氧化锌纳米发电机的研究热潮被锥形氧化锌亚微米棒掀起，目前迫切需要一种简单的合成锥形氧化锌亚微米棒的方法。

发明内容

因此，本发明的目的之一是提供一种塔形层状氧化锌纳米棒的制备方法，该制备方法工艺简单、安全，通用性和可操作性强，利于规模化生产；本发明的另一目的是提供由该方法制得的塔形层状氧化锌纳米棒及其应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种塔形层状氧化锌纳米棒的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)称取重量比为4～1∶1的氧化锌和碳粉，混合均匀后放入石英舟内，将硅片放置在石英舟的上方，使硅片与石英舟中氧化锌和碳粉的混合物之间的距离为1～5毫米，然后放入反应炉内；

(2)对反应炉抽真空，并向反应炉中通入氮气，维持反应炉中压强为20～100mbar；同时，使反应炉升温，反应炉的温度升至960～980℃后，停止通氮气；

(3)停止加热，继续对反应炉抽真空，并向反应炉中通入氧气，维持反应炉内压强为20～50mbar，其中，氧气穿过冷却水后进入反应炉内，氧气的通入时间为60～120min，反应结束后，即得目标产物。

在一种具体实施方案中，氧气首先通入冷却水中，然后穿过冷却水进入反应炉。

根据本发明提供的制备方法，其中，本发明采用的氧化锌和碳粉均为分析纯，纯度不低于99.9％，优选为纯度不低于99.999％。

所述方法中所用的气体为高纯氮气和高纯氧气。

步骤(2)中所述的“同时”的含义为：在升温过程中对反应炉抽真空并通入氮气，本发明对反应炉升温、抽真空以及通氮气的启动操作的先后顺序并无严格要求。

根据本发明提供的制备方法，其中，所述反应炉为水平气相管式炉，例如，SK-1200℃型气氛管式炉，管径Ф为40mm，长度为1m。

根据本发明提供的制备方法，其中，步骤(1)中所述石英舟和所述硅片放置在所述水平气相管式炉的中心处。

根据本发明提供的制备方法，其中，步骤(2)中所述反应炉的升温速度为15～20℃/min。该升温过程一般持续50～60min。