一种操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙的方法技术

本发明专利技术涉及一种操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙的方法，该方法包括：在水热合成条件下，将含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液与生长基底进行接触，以在所述生长基底上生成氧化锌纳米柱阵列，其中，通过控制所述含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液中的铵盐浓度和/或铟盐浓度来操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙。本发明专利技术提供的方法能够很好地调控ZnO纳米柱阵列的密度和光学带隙。

Method for controlling density and optical band gap of Zinc Oxide nano column array

The invention relates to a method and an optical density control Zinc Oxide nano column array bandgap. The method includes: under the conditions of hydrothermal synthesis, containing zinc source, the source of oxygen and ammonium and / or indium salt solution and substrate contact, with growth in the generation of Zinc Oxide nano column array substrate among them, the density and the optical band gap solution by controlling the source of oxygen containing zinc source, and ammonium salt and / or indium salt in the salt concentration and / or indium salt concentration to control Zinc Oxide nano column array. The method provided by the invention can well control the density and the optical band gap of the ZnO nanorod array.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米结构材料领域，具体地，涉及一种操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙的方法。
技术介绍
ZnO作为一种重要的Ⅱ-Ⅳ族直接带隙半导体材料，室温下其禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，在紫外光探测器、气体传感器、发光二极管和太阳能电池等领域拥有广阔的应用前景。近年来，基于氧化锌纳米结构的薄膜太阳能电池等光电器件备受关注。在传统的薄膜太阳电池中引入ZnO纳米柱阵列，将从光学与电学两个方面提升太阳能电池的性能。而Al、In、Ga等元素的掺杂对于改善ZnO纳米材料的导电性和光学性能具有显著的作用。氧化锌纳米材料的制备方法主要有磁控溅射(MS)、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机化学气相沉积(MOVCD)、溶胶凝胶法，化学喷雾热分解等。但是，上述物化方法往往需要高温、真空等环境，条件苛刻，设备复杂，成本较高。水热法是低温液相法生长ZnO纳米结构的常用方法，例如IndiumdopinginnanostructuredZnOthroughlow-temperaturehydrothermalprocess(OpticalMaterials，2006，29，第100页)报道了一种低温水热法制备铟掺杂的氧化锌纳米棒。但是，由于在乙酸锌、乙二铵、氢氧化钠和氯化铟组成的反应溶液中大量的铟离子形成了In(OH)3相，因而仅仅通过低温水热的方法较难实现铟掺杂进ZnO纳米材料。最后，文中采用300℃高温退火的方式才实现了铟掺杂ZnO纳米棒的制备，而且随着铟掺杂浓度的改变，ZnO纳米棒的结构、形貌和光吸收等也随之发生改变。更多研究结果表明当铟掺杂量较高时，ZnO纳米结构的优先生长取向将会发生改变。由此可见，铟掺杂ZnO纳米柱阵列的低温制备方法的改进及其生长取向的控制依然是研究的难点。为了实现新一代薄膜太阳能电池的吸收层材料在纳米柱之间的有效填充，要求制备的氧化锌纳米柱阵列的密度及间距可控，同时为了控制氧化锌纳米柱与吸收层材料之间的能带结构图像，要求制备的氧化锌纳米柱阵列的功函数和光学带隙等参数可控。因此，亟需开发一种操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服采用传统水热法无法同时操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙的缺陷，提供一种操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙的方法。本专利技术提供了一种操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙的方法，该方法包括：在水热合成条件下，将含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液与生长基底进行接触，以在所述生长基底上生成氧化锌纳米柱阵列，其中，通过控制所述含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液中的铵盐浓度和/或铟盐浓度来操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙。通过扫描电子显微镜(SEM)测试可以发现，采用本专利技术的方法可以使水热合成法获得的氧化锌纳米柱阵列的密度可以在3.8×109cm-2到8.4×109cm-2的范围进行调控。而且，通过透射光谱吸收边的计算拟合可以发现，采用本专利技术的方法制备的氧化锌纳米柱阵列的光学带隙具有以下特征，当反应溶液中仅有铟盐添加时制备的氧化锌纳米柱阵列的光学带隙展宽，光学带隙的展宽范围为10meV至80meV；当反应溶液中仅有铵盐添加时制备的氧化锌纳米柱阵列的光学带隙窄化了170meV；当反应溶液中同时添加铵盐和铟盐时制备的氧化锌纳米柱阵列的光学带隙进一步窄化，光学带隙的窄化范围为160meV至190meV。因此，通过控制铵盐和/或铟盐在反应溶液中的浓度可以实现操控制备的氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙，具体地，使氧化锌纳米柱阵列的密度在3.8×109cm-2到8.4×109cm-2的范围、纳米柱阵列间距在10nm-107nm的范围、光学带隙在3.35-3.62eV的范围内进行调控。本专利技术的其它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为采用对比例1和实施例2-4的方法制备的ZnO纳米柱阵列的SEM图，其中，a为采用对比例1的方法制备的ZnO纳米柱阵列的SEM表面图，b为采用对比例1的方法制备的ZnO纳米柱阵列的SEM截面图；c为采用实施例2的方法制备的ZnO纳米柱阵列的SEM表面图，d为采用实施例2的方法制备的ZnO纳米柱阵列的SEM截面图；e为采用实施例3的方法制备的ZnO纳米柱阵列的SEM表面图，f为采用实施例3的方法制备的ZnO纳米柱阵列的SEM截面图；g为采用实施例4的方法制备的ZnO纳米柱阵列的SEM表面图，h为采用实施例4的方法制备的ZnO纳米柱阵列的SEM截面图。图2为采用对比例1和实施例1-7的方法制备的ZnO纳米柱阵列的光学带隙，其中，1为采用对比例1的方法制备的ZnO纳米柱阵列的光学带隙，2-8分别为采用实施例1-7的方法制备的ZnO纳米柱阵列的光学带隙。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。本专利技术提供了一种操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙的方法，该方法包括：在水热合成条件下，将含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液与生长基底进行接触，以在所述生长基底上生成氧化锌纳米柱阵列，其中，通过控制所述含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液中的铵盐浓度和/或铟盐浓度来操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙。在所述含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液中，铵盐浓度可以为0.0005-1mol/L，和/或铟盐浓度可以为0.1-10000μmol/L；优选地，铵盐浓度为0.01-0.5mol/L，和/或铟盐浓度为0.2-500μmol/L；更优选地，铵盐浓度为0.005-0.5mol/L，和/或铟盐浓度为0.5-100μmol/L；最优选地，铵盐浓度为0.01-0.25mol/L，和/或铟盐浓度为1-50μmol/L。在所述含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液中，所述锌盐的浓度可以为0.0005-1mol/L，优选为0.001-0.05mol/L，更优选为0.0025-0.025mol/L，最优选为0.005mol/L。在所述含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液中，所述氧源的浓度可以为0.0005-1mol/L，优选为0.001-0.05mol/L，更优选为0.0025-0.025mol/L，最优选为0.005mol/L。在本专利技术中，所述锌源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，例如，所述锌源可以选自硝酸锌、乙酸锌、草酸锌、硫酸锌和氯化锌中的至少一种，优选为硝酸锌。在本专利技术中，所述氧源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氧源，例如，所述氧源可以选自氢氧化钠、氨水、六次甲基四胺和二亚乙基三胺中的至少一种，优选为六次甲基四胺。在本专利技术中，所述铵盐可以选自硫酸铵、硝酸铵、氯化铵、乙酸铵和草酸铵中的至少一种，优选为硝酸铵和/或乙酸铵。在本专利技术中，所述铟盐可以选自硝酸铟、硫酸铟、氟化铟、氯化铟和溴化铟中的至少一种，优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙的方法，该方法包括：在水热合成条件下，将含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液与生长基底进行接触，以在所述生长基底上生成氧化锌纳米柱阵列，其中，通过控制所述含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液中的铵盐浓度和/或铟盐浓度来操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙。

【技术特征摘要】
2014.12.29 CN 20141083813401.一种操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙的方法，该方法包括：在水热合成条件下，将含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液与生长基底进行接触，以在所述生长基底上生成氧化锌纳米柱阵列，其中，通过控制所述含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液中的铵盐浓度和/或铟盐浓度来操控氧化锌纳米柱阵列的密度和光学带隙。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液中，铵盐浓度为0.0005-1mol/L，和/或铟盐浓度为0.1-10000μmol/L；更优选地，铵盐浓度为0.005-0.5mol/L，和/或铟盐浓度为0.5-100μmol/L；最优选地，铵盐浓度为0.01-0.25mol/L，和/或铟盐浓度为1-50μmol/L。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述含有锌源、氧源以及铵盐和/或铟盐的溶液中，所述锌盐的浓度为0.0005-1mol/L，优选为0.001-0.05mol/L，更优选为0.0025-0.025mol/L，最优选为0.005mol/L。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述含有锌源、氧源以及铵盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤洋，赵颖，陈颉，
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