一种ZnO单晶纳米管阵列的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体材料技术领域。更具体地，涉及一种ZnO单晶纳米管阵列的制备方法。
【背景技术】
[0002]1991年日本科学家饭岛澄男首次报道了碳纳米管的发现(Iijima S.Helicalmicrotubules of graphitic carbon[J].nature, 1991，354 (6348): 56-58)，自此引发了人们对于这种管状纳米材料的强烈的研究热情。纳米管具有比纳米棒更加突出的比表面积增强效果，这对于提高光化学和光物理过程的效率具有十分重要的意义。比如，高比表面积可以增强材料吸附化学物质、吸收光和限制光散射的能力，有利于提高催化反应的速度和对于光吸收的灵敏度(Vayssieres L, et al.Three-dimens1nal array of highly orientedcrystalline ZnO microtubes[J].Chemistry of Materials, 2001，13 (12):4395-4398)。人们也因此试图去制备其它材料的管状结构，这其中，ZnO纳米管成为了研究的热点。ZnO是一种典型的直接带隙宽禁带半导体材料，它在常温下的禁带宽度是3.37eV，具有优良的导电、导热性能，化学性质非常稳定，被广泛地应用于陶瓷、橡胶、涂料及光电子等领域。
[0003]目前制备ZnO纳米管的方法主要包括金属有机气相沉积法(MOCVD) (Xu ff Z, etal.Quas1-aligned ZnO nanotubes grown on Si substrates[J].Applied PhysicsLetters, 2005，87 (9):093110)，两步水热合成法(Wei A, et al.Growth mechanism oftubular ZnO formed in aqueous solut1n[J].Nanotechnology, 2006,17 (6):1740)以及化学气相沉积法(CVD) (Xing Y, et al.0ptical properties of the ZnOnanotubes synthesized via vapor phase growth[J].Applied PhysicsLetters, 2003, 83 (9): 1689-1691)。然而以上的方法都具有不同程度的局限性。比如，MOCVD法中使用的设备和原料十分昂贵；两步水热合成法过程复杂繁琐，产品结晶度不佳；CVD法得到的ZnO纳米管是混乱倒伏排列的，只适合利用微加工工艺组装成基于单根ZnO纳米管的器件，这种器件的信号很微弱，而且微加工工艺难度大、耗时长。在本发明中，我们首次利用简单和经济的热蒸发方法制备了 ZnO单晶纳米管阵列，得到的ZnO纳米管形貌和结构均匀、排列整齐、结晶度高，是太阳能电池、紫外光电探测器、化学/生物传感器等器件的理想材料。
【发明内容】
[0004]本发明的一个目的在于提供一种ZnO单晶纳米管阵列的制备方法。本发明制备方法经济便捷，使用的原料便宜，且只需通过一步加热反应即可完成，获得不同尺寸和分布密度的ZnO单晶纳米管。
[0005]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0006]—种ZnO单晶纳米管阵列的制备方法，是采用热蒸发法制备得到的。
[0007]优选地，热蒸发法制备ZnO单晶纳米管阵列包括如下步骤:
[0008]I)取锌粉放入容器中，再将容器和衬底放入管式炉中；
[0009]2)对管式炉抽真空，充入压缩空气；
[0010]3)将管式炉升温，反应结束后使管式炉自然降温；
[0011]4)取出衬底，衬底上所得生长物即为ZnO单晶纳米管阵列。
[0012]优选地，步骤I)中，所述锌粉的纯度为99.9%以上。
[0013]优选地，步骤I)中，所述衬底为金属网、硅片、石英片或蓝宝石片中的一种。
[0014]更优选地，所述金属网为钼网或镍网。
[0015]优选地，步骤I)中，所述容器置于管式炉的加热区，并使锌粉位于管式炉的高温加热区；所述衬底置于加热区下游。
[0016]优选地，步骤I)中，所述衬底位于锌粉下方0-20cm处。
[0017]优选地，步骤2)中，所述抽真空是指将管式炉内压强降至0.1-1OPa ;所述充入压缩空气是指将10-30SCCm的压缩空气通入管式炉中，控制管内压强在10-200Pa。
[0018]优选地，步骤3)中，所述升温是指将管式炉加热区升温至550-900°C，升温速率为10-250C /min ;所述反应时间为0.5-2小时。
[0019]本发明的有益效果如下:
[0020]本发明首次利用热蒸发法方法制备了整齐排列的ZnO单晶纳米管阵列。纳米管阵列具有鲜明的中空结构和突出的比表面积增强效果。
[0021]本发明的制备方法经济便捷且操作简单，使用的原料为便宜的锌粉，及低成本的压缩空气，无需催化剂，只需将原料和衬底放入管式炉中，通过一步加热反应即可完成，且反应产物随着温度的不断上升，气流的不断充入而得到。
[0022]本方法可控性强且重复性高，通过控制加热温度、管内压强和空气流速，可以稳定得到不同尺寸和分布密度的ZnO单晶纳米管。
[0023]本发明得到的ZnO单晶纳米管管壁薄、结晶性高、排列整齐，在太阳能电池、光催化、生物和气体传感器等领域中具有广泛的研究价值和应用前景。
【附图说明】
[0024]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0025]图1中，(a)示出实施例1的ZnO单晶纳米管阵列的低倍扫描电子显微镜(SEM)图像；(b)示出实施例1的单根ZnO单晶纳米管的SEM图像。
[0026]图2示出实施例1的ZnO单晶纳米管阵列的能量色散X射线光谱仪(EDX)图谱。
[0027]图3示出实施例1的ZnO单晶纳米管阵列的X射线衍射(XRD)图谱。
[0028]图4中，(a)示出实施例1的ZnO单晶纳米管的高分辨透射电镜(HRTEM)图像；(b)示出实施例1的ZnO单晶纳米管的选取电子衍射(SAED)图像。
[0029]图5示出实施例1中的ZnO单晶纳米管阵列光催化降解甲基橙溶液的降解率与光照时间的曲线，使用的光源为30mW紫外灯，光源波长254nm。
【具体实施方式】
[0030]为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0031]实施例1
[0032]—种ZnO单晶纳米管阵列的制备方法，步骤如下:
[0033]1.称取Ig纯度为99.9%的锌粉放入陶瓷舟中，然后将陶瓷舟放在管式炉的加热区，确保锌粉位于加热区的高温加热区；
[0034]2.将衬底钼网放在加热区下游距锌粉5cm处；
[0035]3