一種變化直徑的ZnO定向納米柱陣列材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無機(jī)納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種變化直徑的ZnO定向納米柱陣列材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]ZnO是一種重要的無機(jī)金屬氧化物材料，在薄膜顯示、光電探測(cè)、氣體傳感、半導(dǎo)體發(fā)光、場(chǎng)發(fā)射、染料敏化太陽能電池、壓電器件等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。ZnO定向納米柱陣列具有優(yōu)良的一維單晶性質(zhì)、大的比表面積、高度有序性等優(yōu)點(diǎn)，在納米發(fā)電機(jī)、納米模板、光催化、電化學(xué)傳感等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。
[0003]目前，制備ZnO定向納米柱陣列的方法主要有化學(xué)氣相沉積法(CVD)和水熱法。其中水熱法因其設(shè)備要求低、方法簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高，受到了大多數(shù)研究者的青睞。水熱法生長(zhǎng)ZnO定向納米柱通常分為兩步，首先需要在生長(zhǎng)ZnO納米柱的襯底上制備一層ZnO薄膜，作為ZnO納米柱生長(zhǎng)的晶種層；然后采用六水合硝酸鋅和六次甲基四胺的混合液作為反應(yīng)溶液，將附有ZnO晶種層的襯底置于溶液中加熱處理，ZnO納米柱則會(huì)在晶種層表面沿c軸方向定向生長(zhǎng)。目前得到的ZnO納米柱均為直徑均勻的納米棒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種具有變化直徑的ZnO定向納米柱陣列材料及其制備方法。本發(fā)明采用兩步水熱法，通過控制兩步水熱法的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)物濃度等，制備得到了變化直徑的ZnO定向納米柱陣列，所述納米柱陣列底部為直徑均勻的納米柱，頂部為生長(zhǎng)于納米柱之上的直徑不斷變大的倒六棱錐，得到了一種新型的納米柱陣列材料。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種變化直徑的ZnO定向納米柱陣列材料，包括直徑均勻的納米柱和生長(zhǎng)于直徑均勻納米柱上的直徑不斷變大的倒六棱錐，采用兩步水熱法制備，通過調(diào)控兩步水熱法的反應(yīng)物濃度，得到本發(fā)明直徑變化的ZnO定向納米柱陣列材料。
[0007]—種變化直徑的ZnO定向納米柱陣列材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0008]步驟1、制備ZnO晶種層:在襯底表面制備30?200nm的ZnO薄膜作為晶種層；
[0009]步驟2、第一步水熱法制備直徑均勻的ZnO定向納米柱陣列:配制濃度為0.01?0.05wt%的鋅鹽水溶液，然后加入等摩爾的六次甲基四胺，攪拌均勻，得到混合液A ;然后將步驟I得到的帶ZnO晶種層的襯底放入混合液A中，在70?95°C下處理2?5h ;取出，采用去離子水沖洗，即在襯底ZnO晶種層上生長(zhǎng)得到直徑均勻的ZnO定向納米柱陣列；
[0010]步驟3、第二步水熱法制備變化直徑的ZnO倒六棱錐:配制濃度為0.1?0.5wt%的鋅鹽水溶液，加入等摩爾的六次甲基四胺，攪拌均勻，得到混合液B;然后將步驟2得到的帶ZnO定向納米柱陣列的襯底放入混合液B中，在70?95°C下處理2?5h ;取出，采用去離子水沖洗，干燥，得到本發(fā)明所述變化直徑的ZnO定向納米柱陣列。
[0011]進(jìn)一步地，步驟I所述晶種層ZnO薄膜采用磁控濺射、溶膠-凝膠、浸漬-提拉等方法制得。步驟I所述襯底為玻璃、不銹鋼、氧化硅、陶瓷、塑料等。
[0012]進(jìn)一步地，步驟2和步驟3所述鋅鹽為六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2.6H20)、氯化鋅(ZnCl2)、二水合乙酸鋅(Zn(CH3COO)2.2H20)等。
[0013]本發(fā)明采用兩步水熱法制備具有變化直徑的ZnO定向納米柱陣列，第一步水熱法采用較低濃度的反應(yīng)溶液生長(zhǎng)直徑均勻的ZnO定向納米柱陣列，然后放入較高濃度的反應(yīng)溶液中進(jìn)行第二步水熱法生長(zhǎng)，在第二步水熱法生長(zhǎng)時(shí)，ZnO的生長(zhǎng)是從第一步水熱法得到的直徑均勻的ZnO定向納米柱上生長(zhǎng)的，由于第二步水熱法采用的反應(yīng)溶液具有較高的濃度，因此，生成的ZnO直徑不斷變大，最終呈倒六棱錐型。
[0014]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明通過連續(xù)的兩步水熱法獲得了變化直徑的ZnO定向納米柱陣列，其底部為直徑較小且均勻的納米柱陣列，頂部為直徑不斷變大的倒六棱錐，兩部分的直徑大小及高度可以分別由兩步水熱法中的鋅鹽的濃度及反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)控；本發(fā)明方法對(duì)設(shè)備要求低、操作簡(jiǎn)單、環(huán)境友好，具有良好的可控性和重復(fù)性，得到的直徑變化的ZnO定向納米柱陣列可用于高性能光催化、氣體傳感、納米發(fā)電和染料敏化太陽能電池等領(lǐng)域中。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中第一步水熱法生長(zhǎng)的ZnO定向納米柱陣列的掃描電鏡及結(jié)構(gòu)示意圖；(a)為表面形貌，(b)為截面形貌，(C)為結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1得到的變化直徑的ZnO定向納米柱陣列的掃描電鏡及結(jié)構(gòu)示意圖；(a)為表面形貌，(b)為截面形貌，(C)為結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0018]本發(fā)明得到的變化直徑的ZnO定向納米柱陣列材料，形似注射針頭狀，底部為直徑均勻的納米柱，頂部為生長(zhǎng)于納米柱上的直徑不斷變大的倒六棱錐，采用兩步水熱法制備，所述直徑均勻的納米柱和直徑不斷變大的倒六棱錐的高度可通過水熱法的時(shí)間調(diào)控，所述直徑均勻的納米柱和直徑不斷變大的倒六棱錐的直徑大小通過反應(yīng)溶液中的鋅鹽濃度調(diào)控。
[0019]—種變化直徑的ZnO定向納米柱陣列的制備方法，包括以下步驟:
[0020]步驟1、制備ZnO晶種層:采用磁控濺射、溶膠-凝膠、浸漬-提拉等方法在襯底表面制備30?200nm的ZnO薄膜作為晶種層；
[0021]步驟2、第一步水熱法制備直徑均勻的ZnO定向納米柱陣列:配制濃度為0.01?0.05wt%的鋅鹽水溶液，然后加入與鋅鹽等摩爾的六次甲基四胺，攪拌均勻，得到混合液A ；將混合液A倒入內(nèi)襯為聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中，然后將步驟I得到的帶ZnO晶種層的襯底放入混合液A中，在70?95°C下處理2?5h ;取出，采用去離子水沖洗，及在襯底ZnO晶種層上生長(zhǎng)得到直徑均勻的ZnO定向納米柱陣列；
[0022]步驟3、第二步水熱法制備變化直徑的ZnO倒六棱錐:配制濃度為0.1?0.5wt%的鋅鹽水溶液，加入與鋅鹽等摩爾的六次甲基四胺，攪拌均勻，得到混合液B ;將混合液B倒入內(nèi)襯為聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中，然后將步驟2得到的帶ZnO定向納米柱陣列的襯底放入混合液B中，在70?95°C下處理2?5h ;取出，采用去離子水沖洗，干燥，得到本發(fā)明所述變化直徑的ZnO定向納米柱陣列。
[0023]進(jìn)一步地，步驟I所述襯底為玻璃、不銹鋼、氧化硅、陶瓷、塑料等。
[0024]進(jìn)一步地，步驟2和步驟3所述鋅鹽為六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2.6H20)、氯化鋅(ZnCl2)、二水合乙酸鋅(Zn(CH3COO)2.2H20)等。
[0025]本發(fā)明得到的變化直徑的ZnO定向納米柱陣列材料，包括直徑均勻的納米柱和生長(zhǎng)于納米柱上的直徑不斷變大的倒六棱錐，直徑均勻的納米柱的直徑為30?