一种ZnO纳米材料以及合成ZnO纳米材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种ZnO纳米材料，相邻的ZnO纳米柱的平均间距为大于100nm至400nm。本发明专利技术还公开了一种合成ZnO纳米材料的方法，该方法包括：在电化学沉积条件下，将含有锌源前驱体以及选择性含有的氧源的溶液与生长基底接触，以在所述生长基底上制得ZnO纳米结构阵列，其中，所述含有锌源前驱体以及选择性含有的氧源的溶液中还含有铵盐，所述铵盐与锌源前驱体的摩尔比为M，所述材料的ZnO纳米柱平均间距为L nm，所述M与L之间成正比，并且所述M与L之比为0.14-0.7。本发明专利技术采用电化学沉积法制备纳米结构材料，通过在含有锌源前驱体的溶液中加入铵盐，成功操控ZnO纳米柱平均间距和纳米结构阵列的密度，并提高了得到的ZnO纳米柱的光学质量。

【技术实现步骤摘要】
一种ZnO纳米材料以及合成ZnO纳米材料的方法
本专利技术涉及一种ZnO纳米材料以及合成ZnO纳米材料的方法。
技术介绍
氧化锌（ZnO）作为一种宽禁带半导体具有Eg～3.3eV(在300K)的直接带宽和60meV的激子束缚能，是一种价格低廉、性能稳定、无毒且对环境友好的材料。ZnO纳米结构可由多种方法制备，但是电化学和化学浴沉积适于制造可应用于大面积器件的纳米结构，而且由于其较低的生长温度适用于不耐高温的基底。现有技术中，采用电化学法制备的氧化锌（ZnO）纳米结构阵列，纳米结构之间的平均距离通常为100nm以下，其相对应的密度亦较大（直径为80nm时，密度约为4×109/cm2）。若欲将该纳米结构阵列植入光电器件中制备基于纳米结构的新型器件，则纳米结构之间的距离需进一步增大。通过降低纳米结构直径或降低纳米结构阵列密度均可实现阵列间距的增大，然而，这两种途径目前均存在非常大的技术困难。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服采用现有技术的方法制备的ZnO纳米结构阵列的纳米结构之间的平均距离较小的缺陷而提供一种能够降低ZnO纳米结构的阵列密度，从而增加其阵列间距，并保证所制备的ZnO纳米结构具有高光学质量的ZnO纳米材料以及合成ZnO纳米材料的方法。为了实现上述目的，本专利技术提供一种ZnO纳米材料，其中，相邻的ZnO纳米柱的平均间距为大于100nm至400nm。本专利技术还提供一种合成ZnO纳米材料的方法，该方法包括：在电化学沉积条件下，将含有锌源前驱体以及选择性含有的氧源的溶液与生长基底接触，以在所述生长基底上制得ZnO纳米结构阵列，其中，所述含有锌源前驱体以及选择性含有的氧源的溶液中还含有铵盐，所述铵盐与锌源前驱体的摩尔比为M，所述材料的ZnO纳米柱平均间距为Lnm，所述M与L之间成正比，并且所述M与L之比为0.14-0.7。由本专利技术的方法制备得到的ZnO纳米材料的相邻的ZnO纳米柱的平均间距为大于100nm至400nm，ZnO纳米材料的阵列密度小于3×109/cm2，优选为6.4×108/cm2-2.9×109/cm2。本专利技术采用电化学沉积法制备的氧化锌纳米结构材料，通过改变制备条件，主要是在含有锌源前驱体的溶液中加入适量的铵盐，成功操控ZnO纳米结构阵列的密度（ZnO纳米结构间距的增大），并且能够提高得到的ZnO纳米柱的光学质量。采用本专利技术的方法得到的阵列密度可操控的高质量ZnO纳米结构阵列将在太阳能电池、发光二极管、紫外激光器、紫外光电探测器、气体传感器等领域中展现出广泛的应用前景。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为采用实施例1-7的方法和对比例1-3的方法制备的ZnO纳米结构阵列的光致发光图谱；其中，谱图1-7对应实施例1-7的结果，谱图8-10对应对比例1-3的结果；图2为采用实施例1-7的方法和对比例1-3的方法制备的ZnO纳米结构的扫描电子显微镜照片；其中，图2a-图2g为采用实施例1-7的方法制备的ZnO纳米结构的扫描电子显微镜照片，图2h-图2j为采用对比例1-3的方法制备的ZnO纳米结构的扫描电子显微镜照片。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。按照本专利技术，为了达到所述ZnO纳米材料的阵列密度减小，本专利技术的方法通过增大ZnO纳米结构间距来实现。本专利技术提供的所述ZnO纳米材料的相邻的ZnO纳米柱的平均间距为大于100nm至400nm。优选情况下，本专利技术提供的所述ZnO纳米材料的阵列密度小于3×109/cm2，优选为6.4×108/cm2-2.9×109/cm2。按照本专利技术，优选情况下，所述ZnO纳米材料的光致发光图谱中近带边发射强度与缺陷态发射强度比值（以下用NBE:DE表示）大于3，优选为大于10，更优选大于14。由此说明，采用本专利技术的方法合成的氧化锌纳米结构阵列的光学质量还能够得到进一步的改善。按照本专利技术，所述合成ZnO纳米材料的方法包括：在电化学沉积条件下，将含有锌源前驱体以及选择性含有的氧源的溶液与生长基底接触，以在所述生长基底上制得ZnO纳米结构阵列，其中，所述含有锌源前驱体以及选择性含有的氧源的溶液中还含有铵盐，所述铵盐与锌源前驱体的摩尔比为M，所述材料的ZnO纳米柱平均间距为Lnm，所述M与L之间成正比，并且所述M与L之比为0.14-0.7。按照本专利技术，ZnO纳米结构阵列密度为N×108/cm2，所述M与N之间成反比，并且所述M与N之比为0.01-15，优选为0.7-6.2。本专利技术的专利技术人发现，通过大量富有创造性的实验证实，铵盐与锌源前驱体的摩尔比与所制得的ZnO纳米柱平均间距及纳米结构阵列密度之间的相互关系，从而通过调控铵盐的量制得平均间距更大、阵列密度更小、光学质量更佳的ZnO纳米结构阵列。按照本专利技术，当所述铵盐与锌源前驱体的摩尔比M优选为20-40时，得到的ZnO纳米结构阵列显示出更大的纳米柱平均间距、更低的阵列密度和更优异的光学性能。按照本专利技术，所述铵盐的种类的可选择范围较宽，优选情况下，所述铵盐选自硫酸铵、硝酸铵、氯化铵和乙酸铵中的一种或多种。按照本专利技术，尽管加入所述铵盐，并满足铵盐与锌源前驱体的摩尔比在本专利技术的范围内即可以实现降低ZnO纳米结构阵列的密度的目的，但是，优选情况下，为了更好地实现本专利技术的专利技术目的，所述含有锌源前驱体的溶液中铵盐的浓度为0.02M-20M。按照本专利技术，所述锌源前驱体的种类可以为本领域技术人员所公知的各种应用于氧化锌纳米材料合成的锌源前驱体，例如，所述锌源前驱体可以选自硝酸锌、乙酸锌、硫酸锌和氯化锌中的一种或多种，优选为硝酸锌。更优选，所述含有锌源前驱体的溶液中锌源前驱体的浓度为0.001M-0.5M。其中，所述含有锌源前驱体的溶液中的溶剂为水。按照本专利技术，是否需要所述氧源与所选择的锌源前驱体的种类有关，若锌源前驱体为可以提供氧源的锌源前驱体则可以不额外加入氧源，反之则亦然。若锌源采用氯化锌，则需要提供额外的氧源。所述氧源的种类为本领域技术人员所公知，例如，可以向所述溶液中通入含氧气体，如氧气。所述电化学沉积法为本领域技术人员所公知，在本专利技术中，所述电化学沉积法指的是以含有锌源前驱体和铵盐的溶液（通常为水溶液）为电解液，采用阴极恒电位还原制备氧化锌纳米结构阵列。根据本专利技术，所述制备ZnO纳米结构的方法通过在包括对电极、工作电极和参比电极的三电极电化学反应体系进行电沉积。其中，工作电极连接生长基底；对电极通常为碳棒、金电极、铂电极，优选为铂电极；参比电极通常为饱和甘汞电极、氯化银电极、铂电极、硫酸亚汞电极、氧化汞电极，优选为铂电极。其中，所述生长基底可以为本领域技术人员所公知的各种能够应用于制备氧化锌纳米材料的生长基底，例如，所述生长基底可以为透明导电氧化物、金属、纤维、聚合物和碳材料中的至少一种，优选为透明导电氧化物。其中，所述透明导电氧化物（TCO）基底优选选自氧化铟锡（ITO）、掺铝氧化锌（AZO）、掺铟氧化锌（IZO）、掺镓氧化锌（GZO）、掺硼氧化锌（BZO）本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ZnO纳米材料，其特征在于，相邻的ZnO纳米柱的平均间距为大于100nm至400nm。

【技术特征摘要】
1.一种合成ZnO纳米材料的方法，该方法包括：在电化学沉积条件下，将含有锌源前驱体以及选择性含有的氧源的溶液与生长基底接触，以在所述生长基底上制得ZnO纳米结构阵列，其特征在于，所述含有锌源前驱体以及选择性含有的氧源的溶液中还含有铵盐，所述铵盐与锌源前驱体的摩尔比为M，所述材料的ZnO纳米柱平均间距为Lnm，所述M与L之间成正比，并且所述M与L之比为0.14-0.7。2.根据权利要求1所述的方法，其中，ZnO纳米结构阵列密度为N×108/cm2，所述M与N之间成反比，并且所述M与N之比为0.01-15。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述M与N之比为0.7-6.2。4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述铵盐与锌源前驱体的摩尔比M为20-40。5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述铵盐选自硫酸铵、硝酸铵、氯化铵和乙酸铵中的一种或多种。6.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述含有锌源前驱体以及选择性含有的氧源的溶液中锌源前驱体的浓度为0.001M-0.5M。7.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述锌源前驱体为硝酸锌。8.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述含有锌源前驱体以及选择性含有的氧源的溶液中铵盐的浓度为0.02M-20M。9.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述电化学沉积的条件包括：沉积电位为-0.8V至-1.5V。10.根据权利要求9所述的方法，其中，沉积电位为-1.10V至-1.38V。11.根据权利要求10所述的方法，其中，沉积电位为-1.10V至-1.32V。12...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤洋，陈颉，郭逦达，
申请(专利权)人：神华集团有限责任公司，北京低碳清洁能源研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11