一种微纳功能材料生长方法及其量子点电池应用技术

本发明专利技术提供了一种微纳功能材料生长方法，该方法是利用气体和液体交界面附近一层液膜的特殊生长动力学，完美地合成出立体化和分级结构的纳米材料。本发明专利技术还提供了上述方法制备的微纳功能材料和量子点敏化太阳能电池，以及制备上述微纳功能材料的装置和应用。本发明专利技术的制作工艺巧妙地利用化学方法和自然界存在的力（如毛细力和对流力等）进行纳米材料生长自组装，利用本发明专利技术制备制备纳米材料，成本低廉，重复性高，易于产业化。

【技术实现步骤摘要】
一种微纳功能材料生长方法及其量子点电池应用
本专利技术涉及纳米材料合成与器件制造
，具体涉及一种微纳功能材料生长方法及其量子点电池应用。
技术介绍
微纳功能材料在光催化，新能源和生物技术等各个领域有广泛的应用前景。其制备与应用是当今最前沿的课题之一。目前微纳米材料的合成方法主要有VLS法，电化学沉积法和水热法等。VLS法需要高温条件；电化学沉积法不仅对于基底有特殊要求而且合成的材料的结晶性往往比较差。这些不足是纳米材料实用化的重要障碍。而水热法虽然可以合成各种形貌的纳米材料，例如棒状，片状，塔状和球状氧化锌，但是所合成的纳米材料大都是随机分布于溶液中的，难以应用于纳米器件。目前应用于器件的阵列式纳米材料只有氧化锌纳米棒或者纳米管阵列。而阵列式排布于基底并有上下分级结构的纳米材料(特别适合制造器件)没有任何文献或专利报道。量子点敏化太阳能电池是一种非常有前景的第三代光伏器件。量子点太阳能电池目前效能较好的主要有CdSe量子点、CdS/CdSe核壳结构量子点、PbS量子点和钙钛矿量子点(CH3NH3I)这几类。其中光电转换效率最高的是A.H.Ip等人报道的7％固态结量子点敏化太阳能能电池(NatureNanotechnology，2012，7,577)。进一步提高这些电池的效能的极大挑战是光阳极材料(一般为化学方法合成的纳米材料)的结晶质量、载流子的运输通道和光阳极上纳米材料的比表面积。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种微纳功能材料生长方法。本专利技术的另一目的是提供上述方法制备的纳米材料。本专利技术的再一目的是提供所述纳米材料在新能源、红外隐身、光催化和生物技术等领域获得应用。首先，本专利技术提供了一种微纳功能材料生长方法，该方法是利用气体和液体交界面附近一层液膜的特殊生长动力学(不同于泛指的液体中生长动力学)，完美地合成出立体化和分级结构的纳米材料，该特殊生长动力学为：由于“气液”界面处的特殊性：断裂的化学键使得化学活性更强、气液交界面的液膜存在温度梯度，在前期生长的纳米材料的择优生长面上形成渐变层，在此基础上，纳米材料继续生长；已生长的纳米材料在靠近液面处架构的液膜对纳米材料施加了毛细作用力。优选的，所述特殊生长动力学包括毛细作用、对流、温度梯度、冷却速度等和活泼的化学键等。更优选的，所述特殊生长动力学的实现包括以下具体步骤：(1)将纳米材料营养液放入密闭容器，使密闭容器中具有液相和气相；(2)起始阶段控制纳米材料营养液和生长基底在密闭容器中的生长环境，该环境中的气相和液相的温度和压强不同。优选的，起始阶段液相的温度为50～250℃、压强为100-1500Pa；气相温度150～300℃、气压100100Pa-23MPa；该阶段的反应时间为1-6h。(3)生长中期控制密闭容器中气体的泄露速率为30～70sccm，通过使密闭容器中的气体慢慢泄漏，而容器内的液体持续汽化补充泄露的气体，逐渐趋向平衡；这样，容器内的液体就会因汽化而变少，进而使生长容器内的液面缓慢下降。优选的，密闭容器采用球阀控制泄漏，该球阀开启程度可以用“圈数+刻度”定量表征。一般完全开启球阀需要“10圈+200°”，通过实验表明“0圈+150°”和“4圈+241°”对应的气体泄漏速率为30sccm和70sccm(根据漏液速度可以估算出)；这里应该指出，目前尚无符合实验条件要求的质量流量控制器，所以选用球阀。未来市场开发出能耐高温和腐蚀的质量流量控制器时，球阀可以用质量流量控制器代替，并且是优选的漏气控制元件，质量流量控制器具有快速响应、精确控制和易操控等优点。(4)当密闭容器内的热力学系统实现动态平衡后，由于晶体的择优取向生长特性，该阶段生长的纳米材料与前期生长的并无太大区别(除非漏率太大造成生长环境的剧烈变化)；随后纳米功能材料继续生长，直至液面降至生长基底附近时，由于“气液”界面处特殊的生长动力学(断裂的化学键使得化学活性更强、气液交界面的的液膜存在温度梯度)，在前期生长的纳米材料的择优生长面上形成渐变层(如螺旋位错等)，在此基础上，纳米材料继续生长；已生长的纳米材料在靠近液面处架构的液膜对纳米材料施加了毛细作用力；最终形成了完美的阵列式的分级结构的纳米功能材料。这里需要指出球阀的控制是灵活的，可以根据实验要求在不同的生长阶段改变漏率进而调控纳米材料的生长。更具体地，所述微纳功能材料生长方法包括以下具体步骤：(1)清洗基底，按标准的程序清洗基底。若是硅片，按RCA法清洗硅片的标准程序；如果是玻璃基底或者金属基底，按“丙酮-乙醇-去离子水”分别超声清洗3分钟；如果是FTO导电玻璃基底，按“乙醇-去离子水”分别超声清洗30秒；如果是有机材料基底，按具体材料选用适宜的洗液和清洗方案等。(2)制备一定厚度籽晶层。制备氧化锌纳米材料，一般用磁控溅射法沉积1～30nm籽晶层。制备二氧化钛纳米材料，一般用匀胶法涂覆一层100nm以内的二氧化钛溶胶薄膜作为籽晶层。(3)对生长基底进行高温退火，退火温度一般为200～900℃，所用设备为马弗炉。(4)配置生长纳米材料所用的营养液。如生长氧化锌的营养液为脱水醋酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液，其中脱水醋酸锌浓度为0.01mol/L～5mol/L，六亚甲基四胺浓度为0.03mol/L～15mol/L。生长二氧化钛的营养液为乙二醇、浓盐酸、钛酸正丁酯和去离子水的混合溶液，其中乙二醇浓度为10mol/L、浓盐酸0.5～2.5mol/L、钛酸正丁酯0.1～2mol/L。(5)将带有籽晶层的生长基底放入密闭容器中，进行特殊生长动力学生长。(6)取出生长基底，用去离子水涮洗直至干净，然后在室温下干燥。进一步地，本专利技术提供了上述方法制备的纳米材料。优选的，所述纳米材料为上下式分级结构。更进一步地，本专利技术提供了一种量子点敏化太阳能电池，该电池是由所述纳米材料制备。更进一步地，本专利技术提供了所述纳米材料在新能源、红外隐身、光催化或生物
中的应用。更进一步地，本专利技术提供了一种基于热液法生长纳米材料的多功能装置，其特征在于，该装置包括密闭容器，加热装置，和信号显示设备，所述密闭容器由容器底、容器壁和容器盖组成，所述容器壁与容器底固定连接，所述容器盖与所述容器壁螺纹连接，所述容器盖上固定设有控制容器内泄气用的阀门，所述密闭容器分为上、下两部分，上部分为气相区、下部分为液相区，所述气相区的容器壁上设有上温度探测器和上气压探测器，所述液相区的容器壁上设有下温度探测器和下探测器；所述加热装置用于对密闭容器进行加热，所述信号显示设备与所述上温度探测器、上气压探测器、下温度探测器和下压强探测器电连接。本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术可以合成全新的具有分级结构的纳米材料，其中上下式分级结构是其他合成方法所不能实现的。(2)本专利技术制备的纳米材料形态均一，分布均匀，具有阵列式分布的特征。(3)本专利技术对于晶体生长具有普适性，可以用于多种纳米材料的生长(如氧化锌，二氧化钛等)。(4)该方法可以在硅基，FTO等多种基底上生长纳米材料。(5)利用该方法可以制备比表面积极大的纳米材料，有利于多种应用(如增大量子点装载和提高光催化等)。(6)本专利技术的制作工艺巧妙地利用化学方法和自然界存在的力(如毛细力和对流力等)进行纳米材料生长自组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微纳功能材料生长方法，其特征在于，该方法是利用气体和液体交界面附近一层液膜的特殊生长动力学，完美地合成出立体化和分级结构的纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种微纳功能材料生长方法，其特征在于，该方法是利用气体和液体交界面附近一层液膜的特殊生长动力学，完美地合成出立体化和分级结构的纳米材料，该特殊生长动力学为：由于“气液”界面处的特殊性：断裂的化学键使得化学活性更强、气液交界面的液膜存在温度梯度，在前期生长的纳米材料的择优生长面上形成渐变层，在此基础上，纳米材料继续生长；已生长的纳米材料在靠近液面处架构的液膜对纳米材料施加了毛细作用力；所述特殊生长动力学的实现包括以下具体步骤：(1)将纳米材料营养液放入密闭容器，使密闭容器中具有液相和气相；(2)起始阶段控制纳米材料营养液和生长基底在密闭容器中的生长环境，该环境中的气相和液相的温度和压强不同；(3)生长中期控制密闭容器中气体的泄露速率，通过使密闭容器中的气体慢慢泄漏，而容器内的液体持续汽化补充泄露的气体，逐渐趋向平衡；这样，容器内的液体就会因汽化而变少，进而使生长容器内的液面缓慢下降；(4)当密闭容器内的热力学系统实现动态平衡后，由于晶体的择优取向生长特性，该阶段生长的纳米材料与前期生长的并无太大区别；随后纳米功能材料继续生长，直至液面降至生长基底附近时，由于“气液”界面处特殊的生长动力学，在前期生长的纳米材料的择优生长面上形成渐变层，在此基础上，纳米材料继续生长；已生长的纳米材料在靠近液面处架构的液膜对纳米材料施加了...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴以治，许小亮，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34