一种ＺｎＯ一维纳米材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种ＺｎＯ一维纳米材料的制备方法，是以锌铁水滑石ＺｎＦｅ－ＬＤＨ为前驱体蒸发源，以硅片作为接收基底，在氢氮混合气的气氛中热蒸发ＺｎＦｅ－ＬＤＨ，在硅片上得到ＺｎＯ一维纳米材料。通过改变反应条件，可调变制得ＺｎＯ纳米线、纳米柱和纳米锥等结构的纳米材料。本发明专利技术具有无需金属催化剂、反应温度较低、产品纯度好等特点。并且制备过程所用设备简单、容易操作、重复性好，易于实现工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体纳米材料制备
，具体涉及一种以层板为锌铁层状双金 属氢氧化物(ZnFe-LDH)为前驱体制备ZnO —维纳米材料的技术。
技术介绍
氧化锌(ZnO)是一种新型的II-VI族直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度为 3. 37eV，激子束缚能为60meV，拥有优良的半导体和压电特性以及在纳米尺度出现量子限 域、小尺寸效应等新性质，使其成为低维结构研究的热门课题。迄今为止，ZnO纳米线，纳米 棒，纳米梳，纳米带，纳米环，纳米螺旋/纳米弹簧等ZnO纳米结构均已先后被成功制备，并 有望在纳米光电器件、压电器件、气敏传感器等领域得到广泛应用。ZnO 一维纳米材料的制备方法很多，如热蒸发法、溶液法、化学气相沉积法和脉冲 激光沉积法等。相比而言，热蒸发法不仅具有工艺简单易行和成本低等优点，而且更容易 实现对ZnO纳米材料的质量和结构的控制。目前，热蒸发法按生长机理可分为气_液-固 (VLS)法和气固(VS)生长法。VLS法合成ZnO纳米材料一般需要金、银、铜、钴等过度金属 的纳米颗粒或者薄膜作为催化剂，如文献以 ZnO 和石墨为原 料，在900 920°C条件下，可在镀有Au的硅片基底上制得ZnO纳米线，然而，该法制得纳米 线顶端会残留Au纳米颗粒，这对其在纳米光电器件中应用非常不利；VS法是在无催化剂条 件下，选用锌粉、ZnO、ZnS和锌盐等作为锌源，通过高温直接蒸发锌源，可以制备出ZnO纳米 材料，如文献以 ZnO 粉为锌源，在 1400°C下热蒸发制备 ZnO 纳米线；如文献在1100°C条件下蒸发Zn/Se混合粉末制备ZnO纳米线；如 文献以 ZnS 为锌源，在1300°C下经还原和氧化工艺可制得ZnO晶须。由上可知，虽然目前合成ZnO纳米 材料可选的方法和原料众多，但要实现在较低温度范围内、无催化剂的条件下，制备高质量 的ZnO —维纳米材料还未能实现。层状双金属氢氧化物又称水滑石(Layered Double Hydroxides，简写为LDHs)是 一类阴离子型层状化合物，化学组成表示为通式[Mh2+Mx3+(OH)2Γ(Αη_)χ/η · mH20，其中M2+为 Mg2+、Zn2+、Ni2+等二价金属阳离子；M3+为Al3+、Fe3+等三价金属阳离子；An_为阴离子，如⑶广、 C1_、N03_、S042_等阴离子。其层板金属元素种类和比例可调，不同种类的金属离子达到了原 子级别的均勻分散，并有着相互阻隔限域作用。以LDHs为前驱体制备的纳米材料粒子尺寸 具有高度可控性，使其广泛应用于制备各类金属氧化物的纳米材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种ZnO —维纳米材料的制备方法，即提供一种在较低的温 度范围内、无催化剂条件下，制备ZnO —维纳米材料的方法。本专利技术以锌铁水滑石(简写为ZnFe-LDH)为前驱体蒸发源，以硅片作为接收基底， 在氢氮混合气的气氛中热蒸发ZnFe-LDH，在硅片上得到ZnO —维纳米材料。通过改变反应 条件，可调变制得ZnO纳米线、纳米柱和纳米锥等结构的纳米材料。ZnO 一维纳米材料具体制备步骤如下以锌铁水滑石(ZnFe-LDH)粉末作为前驱体蒸发源，硅片作为接收基底，将两者间 隔1 4cm置于瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，蒸发源位于进气口方向；将管式炉抽真空 再通入氢氮混合气，反复清洗置换三次，以20 50ml/min流速通入氢氮混合气，以10 20°C /min升温速率程序升温至500 900°C，保温30 90min，再自然冷却至室温，在硅片 上收集得到ZnO纳米材料。所述氢氮混合气是吐/队体积比为1 15-20混合气体。所述锌铁水滑石粉末其结构式为Zni_x2+Fex3+(0H)2r(An_)x/n，！！！邸，其中An_是层间 阴离子，An_可以是cr、so42-、NO” co32-中的任意一种，其中较好的是cr ；x的值随摩尔数 而变化，0. 1 ^ X ^ 0. 5 ;m为层间结晶水分子数，；m为层间结晶水分子数，0. 3 < m < 1 ；该 锌铁水滑石粉末粒径为50 200nm。锌铁水滑石的制备是将锌铁水滑石将可溶性锌盐与可溶性铁盐溶于去co2的去离 子水配制( + 为0. 6 1. 2mol/L)的锌铁混合盐溶液，其中Zn2+/Fe2+摩尔比为 2 4 1 ；另配制1 1. 5mol/L的氢氧化钠碱溶液，采用双滴法将盐溶液和碱溶液进行混 合，保持滴定过程体系pH为7 8，在40 60°C下晶化12 24h，用除去C02的去离子水 反复离心清洗，得到ZnFe-LDH浆液，在60°C下干燥12h，研磨，得到ZnFe-LDH粉末。图1是实施例1、2、3得到产品的XRD谱图，由图1可知，所制得的产品的具有 ZnO (100), (002)、(101)特征衍射峰和较弱 ZnO (102), (110)、(103)、(200)和(112)等衍 射峰，这表明该法所制备的样品的确是具有很好结晶质量的ZnO。图2是实施例1得到产 品的SEM谱图，由图可知，产品为ZnO纳米线，其直径为10 80nm，长度为5 15 y m ；图3 所示是实施例2中制备所得产品的SEM谱图，由图可知，产品为ZnO纳米柱，其平均直径为 350 500nm，长度为1 3iim ；图4所示是实施例3中制备所得产品的SEM谱图，由图可 知，产品为ZnO纳米锥，其平均直径为40 60nm，长度为200 500nm。本专利技术以ZnFe-LDH为前驱体，在硅片基底表面制备了大面积、形貌均一的ZnO — 维纳米材料，与传统方法相比，具有设备简单、容易操作、产品结构可控、无需金属催化剂、 反应温度较低，反应时间短等优点。本专利技术提供的制备工艺很好地解决了纳米ZnO应用中 所必须解决的可控性和大面积低成本合成的问题，且与传统的半导体加工技术相容，易于 工业化。附图说明图1是实施例1、2、3中所得产品的XRD谱图，图中a、b、c分别为实施例1、2、3的样品。图2是实施例1所得产品的SEM谱图。图3是实施例2所得产品的SEM谱图。图4所示是实施例3所得产品的SEM谱图。具体实施例方式实施例1 将ZnCl2和FeCl2 · 4H20按摩尔比等于3 1溶于除去CO2的去离子水中配成50ml 混合盐溶液(+ = 1)，另配制IOOml的1. 25M的NaOH溶液。在四口瓶中加入50ml 除去CO2的去离子水后，同时滴加混合盐溶液和碱溶液，滴加过程保持反应液的pH值为7. 5， 滴加完毕后，反应液在40°C下晶化24小时后，反应液经除去CO2的去离子水离心洗涤三次得 到的ZnFe-LDH浆液，于60°C的鼓风干燥箱干燥12小时，研磨，得到ZnFe-LDH粉末。将上述制得的ZnFe-LDH粉末置于瓷舟中作为前驱体蒸发源，以硅片作为接收基 底置于瓷舟，两者相距3cm;将瓷舟置于管式炉中间部位，蒸发源置于进气口方向。将管式 炉抽真空并通入氢氮混合气清洗三次，然后以40ml/min流速通入氢氮混合气，以10°C / min的升温速率将反应腔的温度升至500°C，保温60min，再以20°C /min的升温速率升至 SOO0C，保温60min后，自然冷却至室温，整个反应过程中，炉内气压保本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＺｎＯ一维纳米材料的制备方法，具体制备步骤如下：以锌铁水滑石为前驱体蒸发源，硅片作为接收基底，将两者间隔１～４ｃｍ置于瓷舟中，将瓷舟置于管式炉中，蒸发源位于进气口方向；将管式炉抽真空再通入氢氮混合气，反复清洗置换三次，以２０～５０ｍｌ／ｍｉｎ流速通入氢氮混合气，以１０～２０℃／ｍｉｎ升温速率程序升温至５００～９００℃，保温３０～９０ｍｉｎ，再自然冷却至室温，在硅片上收集得到ＺｎＯ纳米材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王连英，章定恒，何静，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]