一種石墨烯襯底上ZnO分級(jí)納米陣列及其制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及ZnO分級(jí)納米陣列及其制備方法，特別涉及生長(zhǎng)石墨稀襯底上的ZnO分級(jí)納米陣列及其制備方法、應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋅ZnO (室溫帶隙寬度為3.37eV)是I1- VI族纖鋅礦結(jié)構(gòu)的直接帶隙半導(dǎo)體材料，束縛激子結(jié)合能高達(dá)60meV，同時(shí)氧化鋅原材料豐富，價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境無害等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于表面聲波器件、微電子以及光電子器件等領(lǐng)域。目前，一維ZnO納米陣列已被證實(shí)具有獨(dú)特的物理特性，如量子尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)等，是當(dāng)前國(guó)際納米光電子器件領(lǐng)域的的前沿和熱點(diǎn)。一維ZnO納米陣列是重要的一維納米光電子器件的構(gòu)件?；赯nO異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管、氣體傳感器，光探測(cè)器，太陽能電池，光催化，壓電驅(qū)動(dòng)器。石墨烯作為最薄的單原子層二維材料，具有極高的載流子迀移率(230000cm2/V*s)、高的熱導(dǎo)率(3000W/m -K)以及優(yōu)越的光學(xué)特性(單層石墨烯的吸收率為2.3% )和力學(xué)特性(抗拉強(qiáng)度高達(dá)130GPa)，這說明石墨烯為制備高效、柔性、高性能器件提供了優(yōu)良的可行性。但是，很難直接在純凈的石墨烯薄膜層上外延生長(zhǎng)一維ZnO納米陣列。這主要源于純凈的石墨烯薄膜其sp2雜化C原子層表面性質(zhì)穩(wěn)定，無多余懸掛鍵用于提供給金屬原子進(jìn)行反應(yīng)形核，從而導(dǎo)致ZnO形核率低，難以直接生長(zhǎng)ZnO納米陣列。因此石墨烯襯底上生長(zhǎng)ZnO納米陣列一直是研宄的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
[0003]居多研宄者采用了相關(guān)措施增加ZnO在石墨烯層上的形核率，歸納主要有以下兩種辦法:(I)在石墨烯襯底上預(yù)沉積金屬Au或Ni等，通過添加金屬催化劑以增加ZnO形核密度，后通過VLS法(Vapor-Liquid-Solid)催化生長(zhǎng)一維ZnO納米陣列，但是，催化生長(zhǎng)法易在材料中引入金屬污染物。(2)在石墨烯襯底上預(yù)沉積ZnO種子形核層。通過插入預(yù)先沉積ZnO種子層等作為形核層，然后通過水熱法合成一維ZnO納米陣列。但是，水熱法ZnO種子層無法均勻的分布在石墨烯襯底上，因此需要在石墨烯先預(yù)沉積其他修飾層物質(zhì)，比如導(dǎo)電聚合物，使得增添外來雜質(zhì)，并且添加有機(jī)物使得器件使用溫度降低。
[0004]由此可見，要使石墨烯上ZnO基高效、柔性、高性能器件真正實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，最根本的辦法就是解決石墨烯襯底上一維ZnO納米陣列形核難的問題，實(shí)現(xiàn)在石墨烯層上無催化并不引入雜質(zhì)地直接生長(zhǎng)一維ZnO納米陣列。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種生長(zhǎng)在石墨烯納米片襯底上的分級(jí)ZnO納米陣列，具有形核簡(jiǎn)單、高質(zhì)量、柔性、高導(dǎo)熱等優(yōu)點(diǎn)，且制備成本低廉。本發(fā)明的目的之二在于提供上述石墨烯納米片襯底上的分級(jí)ZnO納米陣列制備方法。本發(fā)明的目的之三在于提供上述石墨烯納米片襯底上的分級(jí)ZnO納米陣列的應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]—種石墨稀襯底上分級(jí)ZnO納米陣列，包括石墨稀納米片襯底以及石墨稀納米片襯底上無催化CVD生長(zhǎng)的分級(jí)ZnO納米陣列，所述的石墨烯納米片旋涂于Si或藍(lán)寶石襯底上。
[0008]一種石墨烯襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I)采用石墨烯納米片為襯底，將制備的石墨烯納米片旋涂于Si或藍(lán)寶石襯底上，旋涂數(shù)次1-3次，旋涂速度1000-6000rmp ；
[0010](2)將步驟(I)中石墨烯納米片旋涂的襯底放入CVD水平管式爐中，采用化學(xué)氣相沉積CVD法無催化生長(zhǎng)分級(jí)ZnO納米陣列，通過控制管式爐工藝參數(shù)氣氛流量的氧氣流量、氬氣流量；生長(zhǎng)溫度；生長(zhǎng)時(shí)間，石墨烯襯底放置位置于l-3cm直徑石英管中，最終直接無催化無損傷地生長(zhǎng)出分級(jí)ZnO納米陣列。
[0011]進(jìn)一步的，所述的石墨稀襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的制備方法，步驟(I)中制備的石墨稀納米片直徑為5-100um，厚度為0.5_2nm，濃度為0.1-lmg/ml。
[0012]進(jìn)一步的，所述的石墨稀襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的制備方法，步驟(2)中控制管式爐工藝參數(shù)如下，氣氛流量:氧氣流量為40-200sccm，氬氣為40-200sccm ;生長(zhǎng)溫度:600-8000C ;生長(zhǎng)時(shí)間:30-120min。
[0013]進(jìn)一步的，所述的石墨烯襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的制備方法，控制管式爐工藝參數(shù)如下，氣氛流量:氧氣流量為lOOsccm，氬氣為lOOsccm;生長(zhǎng)溫度:700°C ;生長(zhǎng)時(shí)間:60min，石墨稀襯底放置于2cm直徑石英管中。
[0014]進(jìn)一步的，所述的石墨稀襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的應(yīng)用，該分級(jí)ZnO納米陣列用于制備ZnO基紫外光電探測(cè)器。
[0015]進(jìn)一步的，所述的石墨稀襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的應(yīng)用，該分級(jí)ZnO納米陣列用于制備ZnO基LED器件。
[0016]進(jìn)一步的，所述的石墨稀襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的應(yīng)用，該分級(jí)ZnO納米陣列用于制備ZnO雜化太陽能電池器件。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0018](I)本發(fā)明使用石墨烯納米片作為襯底，無需催化劑和其他形核種子層。采用石墨烯納米片作襯底可極大地提高半導(dǎo)體材料的形核率，這主要是由于:石墨烯納米片本身具有大量的棱邊臺(tái)階，可為反應(yīng)形核提供富余懸掛鍵，增加納米材料在石墨烯襯底上的形核點(diǎn)，從而形成納米材料的選區(qū)無催化生長(zhǎng)模式。這既無需預(yù)沉積金屬催化劑和其他形種子核層，達(dá)到避免帶來外來雜質(zhì)等污染的效果，又解決形核難的問題。這是目前石墨烯襯底上生長(zhǎng)ZnO納米材料研宄中所忽視的一個(gè)現(xiàn)象。
[0019](2)本發(fā)明所獲得的是分級(jí)ZnO納米陣列。石墨烯納米片可提供選區(qū)生長(zhǎng)，從而可獲得分級(jí)納米結(jié)構(gòu)，其形貌與沉積工藝參數(shù)具有密切的關(guān)系，通過調(diào)整工藝參數(shù)可生長(zhǎng)出分級(jí)ZnO納米線/柱陣列。
[0020](3)制備出分級(jí)ZnO納米線/柱陣列，其缺陷密度低，比表面高，可大幅度提高氮化物器件如半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管及太陽能電池的效率。
[0021](4)使用石墨烯納米片作為襯底，容易獲得，價(jià)格便宜，且能夠轉(zhuǎn)移至柔性襯底以及尚導(dǎo)熱襯底上，有利于制備尚效、柔性、尚性能ZnO基器件。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明制備的石墨稀納米片襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的截面示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明制備的石墨稀納米片襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的XRD測(cè)試圖。
[0024]圖3為本發(fā)明制備的石墨烯納米片襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的掃描電鏡圖。
[0025]圖4為本發(fā)明制備的石墨稀納米片襯底上分級(jí)ZnO納米陣列光響應(yīng)測(cè)試圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0027]實(shí)施例1
[0028]本實(shí)施例生長(zhǎng)在石墨烯納米片襯底上分級(jí)ZnO納米陣列的制備方法，包括以下步驟:
[0029](I)采用石墨稀納米片為襯底:將制備的石墨稀納米片(直徑為5_15um，厚度為0.5nm，濃度為0.lmg/ml)旋涂于n_Si襯底等常規(guī)襯底，旋涂層數(shù)數(shù)次為3次，旋涂速度100rmp ；
[0030](2)CVD法無催化生長(zhǎng)分級(jí)ZnO納米陣列:將上述石墨稀納米片旋涂的襯底放入CVD水平管式爐中，采用常見化學(xué)氣相沉積CVD法無催化生長(zhǎng)分級(jí)ZnO納米陣列。通過控制管式爐工藝參數(shù):氣氛流量(氧氣流量為40sccm，氬氣為40sccm)、生長(zhǎng)溫度600°C、生長(zhǎng)時(shí)間120min、石墨烯襯底放置位置于Icm直徑石英管中，最終直接無催化無損傷地生長(zhǎng)出分級(jí)ZnO納米陣列。
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