一種氧化鋅納米材料的水熱合成方法以及氧化鋅納米材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種氧化鋅納米材料的水熱合成方法以及氧化鋅納米材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 氧化鋅是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，具有很好的光學(xué)、電學(xué)以及催化特性。氧化 鋅納米材料性能多樣、用途廣泛。納米氧化鋅的制備方法包括氣相法和液相法，其中，水熱 法是液相法制備氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的一種重要方法。
[0003] 水熱法又稱熱液法，是指在特制的密閉反應(yīng)器(高壓釜）中，采用水溶液作為反應(yīng) 體系，通過對(duì)反應(yīng)體系加熱，產(chǎn)生一個(gè)高溫高壓的環(huán)境，加速離子反應(yīng)和促進(jìn)水解反應(yīng)，在 水溶液或蒸氣流體中制備氧化物，可使一些在常溫常壓下反應(yīng)速率很慢的熱力學(xué)反應(yīng)在水 熱條件下實(shí)現(xiàn)反應(yīng)快速化。
[0004] ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的光致發(fā)光譜圖一般有兩個(gè)發(fā)射峰，一個(gè)在380nm左右，一個(gè)在 540nm左右。一般認(rèn)為380nm左右的發(fā)射峰是寬禁帶半導(dǎo)體ZnO的近帶邊發(fā)射；而黃綠光 發(fā)射的原因存在多種解釋，其中一種解釋認(rèn)為ZnO中存在氧空位的缺陷。
[0005] 但是，采用傳統(tǒng)水熱法生長(zhǎng)的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)陣列缺陷密度較高，光學(xué)質(zhì)量不高， 且生長(zhǎng)速率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在克服采用傳統(tǒng)水熱法得到的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)陣列缺陷密度較高導(dǎo)致 光學(xué)質(zhì)量不高，以及生長(zhǎng)速率低的缺陷而提供一種新的提高氧化鋅納米結(jié)構(gòu)陣列的光學(xué)質(zhì) 量和生長(zhǎng)速率的ZnO納米材料的水熱合成方法以及ZnO納米材料。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種ZnO納米材料的水熱合成方法，該方法包括： 在水熱合成條件下，將含有鋅鹽和堿的反應(yīng)溶液與生長(zhǎng)基底在反應(yīng)釜中接觸，以在所述生 長(zhǎng)基底上制得ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列，其中，所述反應(yīng)溶液還含有銨鹽。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種采用本發(fā)明的方法合成得到的ZnO納米材料，其中，所述ZnO 納米材料的光致發(fā)光圖譜中近帶邊發(fā)射強(qiáng)度與缺陷態(tài)發(fā)射強(qiáng)度比值大于6,優(yōu)選為大于 10,更優(yōu)選為大于20。
[0009] 通過光致發(fā)光（PL)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明的方法合成得到的ZnO納米材料的 光致發(fā)光圖譜中近帶邊發(fā)射強(qiáng)度與缺陷態(tài)發(fā)射強(qiáng)度比值大于6,優(yōu)選為大于10,更優(yōu)選為 大于20。由此說明，采用本發(fā)明的方法合成出的ZnO納米結(jié)構(gòu)的缺陷密度顯著降低，從而極 大地提高了 ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的光學(xué)質(zhì)量。此外，采用本發(fā)明的方法還省略了常規(guī)水熱合 成方法中的退火步驟，不但簡(jiǎn)化了操作步驟，同時(shí)還保證了合成的ZnO納米材料的良好的 光學(xué)性能。從而為ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列在太陽能電池、氣體傳感器、光電二極管等領(lǐng)域中的應(yīng) 用提供了廣泛前景。
[0010] 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說明。
【附圖說明】 toon] 附圖是用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具 體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：
[0012] 圖1為采用對(duì)比例1的方法和實(shí)施例1-3的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的光致 發(fā)光圖譜；其中，譜圖a對(duì)應(yīng)對(duì)比例1的結(jié)果，譜圖b、c、d分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例1-3的結(jié)果；
[0013] 圖2為采用對(duì)比例1的方法和實(shí)施例1-3的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的掃描 電子顯微鏡（SEM)照片；其中，a為采用對(duì)比例1的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的SEM截 面圖，b為采用對(duì)比例1的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的SEM表面圖；c，e，g分別為采用 實(shí)施例1-3的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的SEM截面圖；d，f，h分別為采用實(shí)施例1-3 的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的SHM表面圖；
[0014] 圖3為采用對(duì)比例1和實(shí)施例4-6的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的光致發(fā)光圖 譜；其中，譜圖a對(duì)應(yīng)對(duì)比例1的結(jié)果，譜圖b、c、d分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例4-6的結(jié)果；
[0015] 圖4為采用實(shí)施例4-6的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的掃描電子顯微鏡照片； 其中，a、c、e分別為采用實(shí)施例4-6的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的SEM截面圖；b、d、f 分別為采用實(shí)施例4-6的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的SEM表面圖；
[0016] 圖5為采用實(shí)施例7的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的光致發(fā)光圖譜；
[0017] 圖6為采用實(shí)施例7的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的掃描電子顯微鏡照片；其 中，a為ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的SEM截面圖；b為ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的SEM表面圖；
[0018] 圖7為采用對(duì)比例2的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的光致發(fā)光圖譜；
[0019] 圖8為采用對(duì)比例2的方法制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片，其中，a 為ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的SEM截面圖；b為ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的SEM表面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體 實(shí)施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0021] 按照本發(fā)明，所述ZnO納米材料的水熱合成方法包括：在水熱合成條件下，將含有 鋅鹽和堿的反應(yīng)溶液與生長(zhǎng)基底在反應(yīng)釜中接觸，以在所述生長(zhǎng)基底上制得ZnO納米結(jié)構(gòu) 陣列，其中，所述反應(yīng)溶液中還含有銨鹽。
[0022] 本發(fā)明的方法通過在含有鋅鹽和堿的反應(yīng)溶液中加入銨鹽，采用這種水熱法合成 的ZnO納米結(jié)構(gòu)的缺陷密度顯著降低，在相同生長(zhǎng)時(shí)間下，長(zhǎng)度顯著增加，從而極大地提高 了 ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的光學(xué)質(zhì)量和生長(zhǎng)速率。
[0023] 按照本發(fā)明，所述銨鹽的種類的可選擇范圍較寬，優(yōu)選情況下，所述銨鹽選自硫酸 銨、硝酸銨、氯化銨和乙酸銨中的一種或多種，更優(yōu)選為硝酸銨和/或乙酸銨。
[0024] 按照本發(fā)明，盡管加入所述銨鹽即可以實(shí)現(xiàn)提高采用水熱法合成的氧化鋅納米 結(jié)構(gòu)陣列缺陷的目的，但是，優(yōu)選情況下，為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，所述含有 鋅鹽和堿的反應(yīng)溶液中銨鹽的濃度為0. 0005M-1M，更優(yōu)選，所述銨鹽和鋅鹽的摩爾比為 0· 1-50:1，更優(yōu)選為 2-20:1。
[0025] 按照本發(fā)明，所述鋅鹽的種類可以為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的各種應(yīng)用于氧化鋅 納米材料合成的鋅鹽，例如，所述鋅鹽可以選自硝酸鋅、乙酸鋅、硫酸鋅和氯化鋅中的一種 或多種。更優(yōu)選，所述反應(yīng)溶液中鋅鹽的濃度為0.0005M-1M。其中，所述反應(yīng)溶液中的溶劑 為水。
[0026] 按照本發(fā)明，所述堿的種類可以為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的各種應(yīng)用于氧化鋅納 米材料合成的堿，例如，所述堿可以選自氫氧化鈉、氨水等無機(jī)堿以及六次甲基四胺和二亞 乙基三胺等有機(jī)堿中的一種或多種。更優(yōu)選，所述反應(yīng)溶液中堿的濃度為〇. 0005M-1M。
[0027] 在本發(fā)明中，水熱法指的是采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，通過對(duì)反應(yīng)器加熱，創(chuàng)造一 個(gè)高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境。按照本發(fā)明，所述水熱合成的條件可以為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的 水熱合成條件，例如，所述水熱合成的條件包括反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，其中，所述反應(yīng)溫度 通常可以為70°C _120°C，反應(yīng)時(shí)間通常可以為1小時(shí)-48小時(shí)。此外，所述水熱合成反應(yīng) 可以在密閉環(huán)境，也可以在開放的環(huán)境中進(jìn)行。密閉環(huán)境可以通過采用常規(guī)的密閉反應(yīng)器 如高壓釜提供，提供所述密閉環(huán)境的反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，可以為各種 適合水熱合成反應(yīng)的反應(yīng)釜，在本發(fā)明中，優(yōu)選情況下，密閉環(huán)境通過內(nèi)襯為聚四氟乙烯的 不銹鋼反應(yīng)釜提供。
[0028] 按照本發(fā)明，所述生長(zhǎng)基底可以為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的各種能夠應(yīng)用于制備 氧化鋅納米材料的生長(zhǎng)基底，例如，所述生長(zhǎng)基底可以為透明導(dǎo)電氧化物、金屬、纖維、聚合 物和碳材料中的至少一種，優(yōu)選為透明導(dǎo)電氧化物。其中，所述透明導(dǎo)電氧化物（TCO )基底 優(yōu)選選自氧化銦錫（ITO)、摻鋁氧化鋅（AZO)、摻銦氧化鋅（IZO)、摻鎵氧化鋅（G