一种氧化锌单晶材料、其制备方法及应用技术

本申请公开了一种氧化锌单晶材料、其制备方法及应用。所述氧化锌单晶材料具有交联网状结构，所述交联网状结构的交联部分为单晶结构。所述氧化锌单晶材料具有特殊的交联网状结构，可以大大提高PEC的水氧化性能，具有良好的作为PEC光电阳极的应用前景。作为PEC光电阳极的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化锌单晶材料、其制备方法及应用


[0001]本申请涉及一种氧化锌单晶材料、其制备方法及应用，属于半导体纳米材料


技术介绍

[0002]ZnO是一种重要的II
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VI半导体材料，由于其固有的特性，即在室温下具有3.37eV的宽直接带隙和60meV的大直接激子结合能，因而备受关注。ZnO的导带和价带的位置同时满足还原水产生氢，氧化水产生氧的要求，可以有效地利用紫外线分解水。另外，由于其便宜，易于制备和高稳定性，它是有前途的半导体光催化材料。然而，由于电极/电解质界面处的电子
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空穴对的重组以及不足的表面反应动力学，基于ZnO纳米材料的光阳极无法获得理想的结果。为了解决上述问题，通常有几种解决方法：ZnO的掺杂改性；在电极/电解质界面处添加催化剂；在电极/电解质界面处添加表面钝化层；构造特殊的ZnO纳米结构。
[0003]由于一维ZnO纳米材料(如纳米线，纳米棒，纳米片等)可以为载体提供线性传输通道，因此被广泛用于PEC光阳极的研究。然而，一维纳米材料具有小的比表面积和与电解质的小的接触面积，这限制了反应部位。如果可以构建特殊的三维ZnO纳米结构，则该结构由相互交联形成规则阵列的一维ZnO纳米元素组成。无疑，这种结构可以大大提高比表面积和载流子转移效率。
[0004]但是，实现这种大面积的3D交联纳米结构是一项艰巨的任务。通常，结构是通过生成后的组装方法构造的，例如电磁场引导的组装，Langmuir
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Blodgett技术，压印等。然而，通过这些方法构造的纳米结构的晶体学方向不能被控制，并且在一维纳米结构单元之间不能形成单晶结，因此它们不能用于需要高单晶特性的光电器件中。另一种方法是直接外延生长以构建3D单晶纳米结构，通常采用车削和分叉生长方法。它通常会长出一个主干，然后在其侧面长出一个分支，但很难在树木之间形成交联结构。到目前为止，这种结构的开发仍处于摸索阶段。

技术实现思路

[0005]根据本申请的一个方面，提供一种氧化锌单晶材料，所述氧化锌单晶材料具有特殊的交联网状结构，可以大大提高PEC的水氧化性能，具有良好的作为PEC光电阳极的应用前景。
[0006]一种氧化锌单晶材料，所述氧化锌单晶材料具有交联网状结构，所述交联网状结构的交联部分为单晶结构。
[0007]可选地，所述交联网状结构由片状纳米帆状结构互相交联形成。
[0008]优选地，所述氧化锌单晶材料晶面为氧化锌的晶面。
[0009]可选地，所述片状纳米帆状结构长度为500～5000nm，宽度为10～600nm。
[0010]可选地，所述片状纳米帆状结构长度上限选自800、1000、1200、1500、3000、或4000nm，下限选自500、800、1000、1200、1500或3000nm。
[0011]所述宽度上限选自30、50、70、90、110、120、150、180、200、250、300、400、450、500、550或600nm；下限选自10、30、50、50、70、90、110、120、150、180、200、250、300、400、450、500或550nm。
[0012]根据本申请的一个方面，提供一种根据上述任一项所述的氧化锌单晶材料的制备方法，所述制备方法包括：
[0013]将含有锌源、还原剂的原料在催化剂存在下，通过气相沉积在衬底上生长，获得所述氧化锌单晶材料；
[0014]所述衬底的晶体结构与非极性a平面ZnO晶格匹配；
[0015]所述催化剂包括金属；
[0016]所述催化剂在所述衬底表面形成催化层；
[0017]所述催化层的厚度为1～25nm。
[0018]可选地，所述催化剂在所述衬底表面形成催化层的形成方式为：将所述催化剂镀在所述衬底表面。
[0019]可选地，所述将所述催化剂镀在所述衬底表面通过磁控溅射实现。
[0020]可选地，所述催化层的厚度上限选自3、5、8、10、12、15、18、20、25nm；下限选自1、3、5、8、10、12、15、18或20nm。
[0021]可选地，所述气相沉积过程通入O2。
[0022]可选地，所述制备方法包括：在气氛I和压力I条件下，将含有锌源、还原剂的原料在催化剂存在下，通过气相沉积在衬底上生长，获得所述氧化锌单晶材料；
[0023]所述气相沉积包括升温，恒温。
[0024]可选地，所述恒温过程通入O2；所述气氛I与所述O2的体积比为40～50:1～10
。
[0025]可选地，所述气氛I与所述O2的体积比为45～50:1～5。
[0026]可选地，所述锌源包括ZnO；
[0027]所述还原剂包括石墨。
[0028]可选地，所述衬底为r面蓝宝石衬底。
[0029]可选地，所述金属包括Au。
[0030]可选地，所述锌源和所述还原剂的质量比为0.1～10：0.1～10。
[0031]可选地，所述锌源和所述还原剂的质量比为0.1～5：0.1～5。
[0032]可选地，所述锌源和所述还原剂的质量比为0.1～2：0.1～2。
[0033]可选地，所述锌源和所述还原剂的质量比为0.3～1：0.1～0.6。
[0034]可选地，所述升温的速率为10～40℃/min；
[0035]可选地，所述恒温的温度为500～1200℃；
[0036]可选地，所述恒温的时间为3～45min。
[0037]可选地，所述升温的速率上限选自20、25、30、35或40℃/min；下限选自10、20、25、30或35℃/min。
[0038]可选地，所述恒温的温度上限选自600、700、800、900、1000、1100或1200℃；下限选自500、600、700、800、900、1000或1100℃。
[0039]可选地，所述恒温的时上限选自3、5、8、10、15、20、25、30、35、40、45min；下限选自3、5、8、10、15、20、25、30、35或40min。
[0040]可选地，所述气氛I为惰性气体。
[0041]可选地，所述压力I为30～100Torr。
[0042]可选地，所述压力I上限选自40、50、60、70、80、90或100Torr；下限选自30、40、50、60、70、80或90Torr。
[0043]根据本申请的一个方面，提供根据上述任一项所述氧化锌单晶材料，或根据上述任一项所述的制备方法制备得到的氧化锌单晶材料作为PEC光阳极的应用。
[0044]在本申请中，提供了一种高性能、特殊结构的氧化锌单晶材料作为ZnO纳米阵列光电阳极，它可以大大提高PEC的水氧化性能。
[0045]在本申请中，通过采用VLS机制，并使用与非极性a平面ZnO晶格匹配的r平面蓝宝石作为衬底，并提出了一种从上到下合成3D交联Z本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化锌单晶材料，其特征在于，所述氧化锌单晶材料具有交联网状结构，所述交联网状结构的交联部分为单晶结构。2.根据权利要求1所述的氧化锌单晶材料，其特征在于，所述交联网状结构由片状纳米帆状结构互相交联形成；优选地，所述氧化锌单晶材料晶面为氧化锌的晶面。3.根据权利要求2所述的氧化锌单晶材料，其特征在于，所述片状纳米帆状结构长度为500～5000nm，宽度为10～600nm。4.权利要求1～3任一项所述的氧化锌单晶材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将含有锌源、还原剂的原料在催化剂存在下，通过气相沉积在衬底上生长，获得所述氧化锌单晶材料；所述衬底的晶体结构与非极性a平面ZnO晶格匹配；所述催化剂包括金属；所述催化剂在所述衬底表面形成催化层；所述催化层的厚度为1～25nm。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述气相沉积过程通入O2。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：在气氛I和压力I条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晨龙，熊庭辉，王俪霖，孙姝婧，
申请(专利权)人：闽都创新实验室，
类型：发明
国别省市：