专利名称：制备有机聚合物包裹单晶氧化锌共轴复合纳米线的方法
技术领域：
本发明涉及一种电子纤维——有机聚合物与半导体单晶共轴复合纳米 线的制备方法，是一种气相传输法结合静电纺丝制备有机聚合物包裹单晶 氧化锌的纳米线共轴复合结构的方法。
背景技术：
纳米材料的结构和形貌对纳米材料的性能和应用有很大的影响。特定 结构和形貌的纳米晶体材料对于开发纳米材料应用功能的新领域有重要的 意义。近来， 一维半导体材料被广泛深入地研究，主要关注其单晶性(高 电子迁移率)和单向性，并可以在无组织衬底(晶格不严格匹配)上收集 活生长。因此，它们有望成为高性能(接近单晶器件)大面积电子或光电 子器件很好的替代品。尽管如此，在一个设计好图案的衬底上直接大面积 生长这些纳米线是很困难的，而且要使这些纳米线以平行排列的方式分布 在大面积的衬底上也是一个巨大挑战。虽然有一些方法可以使它们平行排 列，比如液体聚集法和电泳法，其均匀性也仍然是一个问题，尤其是在大 面积范围内分布均匀。该专利中，我们设计了一种方法来制备电子纤维， 即一种绝缘材料(塑料或无机物)包裹半导体纳米线的共轴复合纤维。该 电子纤维可以像光纤一样做成巻形物，可以被印制或压制在几乎任何衬底上来制作器件或系统。原则上来说，这样的器件可以有该半导体所应有的基本性能(诸如体单晶材料的性能)。下面的文字中我们将以ZnO作为代 表来阐释这种电子纤维的概念。
在众多纳米材料中，半导体纳米结构引起了人们广泛关注，而氧化锌的纳米结构更是普遍感兴趣的研发热点。氧化锌是一种具有60meV激子束 缚能和3.37eV宽直接带隙半导体。纳米结构的氧化锌由于其较大的表面积 和良好的光、电、磁性能而备受重视，它有望在生物传感器、气体传感器、 储氢器件、金属一离子电池、电化学超级电容、光电池、平板显示等领域 有很好的应用前景。目前，静电纺丝法是一种广泛用于制备多种在有机聚合物纳米纤维的 方法，也有不少人运用该方法进行了氧化锌纳米纤维的制备，但是与其它 化学方法，如气相传输法、高温分解方法、水热分解法等等相比，静电纺 丝得到的氧化锌纳米纤维结晶性相对较差，难以形成单晶结构。氧化锌与 其它有机聚合物的复合纳米纤维制备也存在同样问题。因此研究出一种操 作方便，产量丰富，晶体性质好，结构均匀的氧化锌单晶纳米线与聚合物 的共轴复合纳米结构制备方法对开发新的材料及进一步研制新型纳米功能 器件均有着重要意义。发明内容技术问题本发明的目的是提供一种制备结构均匀的电子纤维——有 机聚合物与单晶氧化锌纳米线共轴复合纳米结构的方法。该方法简化了试 验装置，大大降低了用聚合物与醋酸锌混合溶液进行静电纺丝获得共轴复 合纤维的难度。本发明中获得的有机物包裹氧化锌复合纳米线中，氧化锌 纳米线呈单晶态，具有很好的光电特性，更利于制成各种性能优越的光电 器件，从而为新型纳米光电功能器件的设计提供了更为灵便的空间。技术方案本发明是一种制备有机聚合物包裹单晶氧化锌共轴复合纳 米线的方法本发明制备方法包括如下步骤
步骤一制备单晶氧化锌纳米线以硅、蓝宝石或石英当中的任何一种为衬底，用氧气和氩气作为载气，以锌粉作为原材料在600-75(TC条件 下，或以氧化锌粉末与碳粉的混合物为原材料，在1050-115(TC、气压恒定 0.09MPa条件下，反应30分钟，得到单晶氧化锌纳米线；步骤二制备聚合物与氧化锌的混合溶液将步骤一中得到的单晶氧 化锌纳米线，混入己配好的聚合物溶液中，经搅拌得到均一聚合物与氧化 锌的混合溶液；步骤三制备聚合物包裹单晶氧化锌纳米线的共轴复合结构将步骤 二中得到的聚合物与氧化锌的混合溶液，进行静电纺丝，得到聚合物包裹 单晶氧化锌纳米线的共轴复合结构，所获得的共轴复合纳米结构中氧化锌 呈单晶态。本发明制备方法步骤一中通入氧气和氩气体积比是l: 20，步骤二中 聚合物溶液为聚乙烯醇、聚甲基苯烯酸乙脂、硅橡胶、聚苯乙烯中的任何 一种，单晶氧化锌纳米线与聚合物溶液质量比是在l: 20到1: 40之间。有益效果与现有技术相比，本发明具有如下优点1. 本发明融合了两种方法纳米纤维的制备技术，用来获得有机物聚合 物与单晶氧化锌纳米线的共轴复合纳米结构。通过气相传输法先制备氧化锌单晶纳米线，保证了静电纺丝法制备的复合纳米线中氧化锌纳米线的优 良的结晶性。只要用普通的静电纺丝装置就可以获得共轴纳米结构，简化 了试验装置，大大降低了用聚合物与醋酸锌混合溶液进行静电纺丝获得共 轴复合纤维的难度。2. 本发明获得的有机物包裹氧化锌复合纳米线中，氧化锌纳米线呈单 晶态，具有很好的光电特性，更利于制成各种性能优越的光电器件，如大 面积电子器件中的场效应管(LCD中的活性阵列等等)，化学/生物传感器 和场发射器件等。3.本发明中可通过有机物聚合物与单晶氧化锌纳米线的共轴复合纳米 结构制备过程中聚合物与纳米线的成分调整合理调控材料的光电特性，从 而为新型纳米光电功能器件的设计提供了更为灵便的空间。
图l是气相传输法制备氧化锌纳米线的实验装置示意图。其中有抽 空口 1、刚玉管2、衬底硅片3、石英管4、原材料5、载气6。图2是由本发明制备得到的氧化锌纳米线的扫描电子显微(SEM)图像。图3是静电纺丝法制备有机聚合物包裹单晶氧化锌复合纳米纤维的实 验装置示意图。其中有高压电源l、静电纺丝溶液2、注射器3、接收装 置4。图4是由本发明制备得到的PVA纳米纤维的扫描电子显微(SEM)5是由本发明得到的聚合物包裹单晶半导体共轴复合纳米线的结构 示意图。
具体实施方式
下面是本发明的具体实施例来进一步描述 实施例一第一步以硅片为衬底，在可控温的管式炉内以氧化锌与碳粉的混合 物为原材料在115(TC条件下，通入体积比为1: 20的氧气和氩气作为载气，保持管内气压0.09MPa，反应30分钟，具体反应过程在图1中从中温炉的 刚玉管(2)左侧抽空口 (1)进行抽空，处于相对高温区的原材料(5)产 生的Zn蒸汽在从中温炉的刚玉管(2)右侧载气(6)的运输下向衬底方向
运动，处于相对低温区域的衬底硅片(3)石英管(4)上将生长出单晶氧 化锌纳米线。第二步将第一步得到的单晶氧化锌纳米线从衬底上刮下，与已配好 的9%聚乙烯醇溶液(PVA)按质量比l: 30进行混合，搅拌10小时得到 均一混合液。第三步在图3中将静电纺丝溶液(2)装进带有毛细管喷头的注射器(3)内，并加以30KV的高压电源(1)，从而在喷头和接地的接收装置 之间(间距15cm)建立一个强大的电力场，电场力克服溶液表面张力使之 成为射流，射流在从喷口向接收装置(4)运动过程中产生了拉伸，最终在 接收装置上形成图4、 5中的纳米纤维。该纤维表现为聚合物包裹单晶氧化 锌纳米线的共轴复合结构。 实施例二第一步以硅为衬底，在可控温的管式炉内以锌粉作为原材料在70(TC条件下，通入体积比为l: 20的氧气和氩气作为载气，保持管内气压恒定 0.09MPa，反应30分钟，处于相对高温区的原材料产生的Zn蒸汽在载气的 运输下向衬底方向运动，处于相对低温区域的衬底上将生长出单晶氧化锌 纳米线。第二步将第一步得到的单晶氧化锌纳米线从衬底上刮下，与已配好 的9%聚乙烯醇(PVA)溶液，按质量比l: 20进行混合，搅拌10小时得 到均一混合液。第三步将聚合物与氧化锌的混合溶液装进带有毛细管喷头的注射器内，并加25KV的高压，从而在喷头和接地的接收装置之间(间距10cm) 建立一个强大的电力场，电场力克服溶液表面张力使之成为射流，射流在 从喷口向接收装置运动过程中产生了拉伸，最终在接收装置上形成纳米纤 维。实施例三
第一步以硅片为衬底，在可控温的管式炉内以氧化锌与碳粉的混合 物为原材料在1050'C条件下，通入体积比为1: 30的氧气和氩气作为载气，保持管内气压0. 09MPa，反应30分钟将得到单晶氧化锌纳米线。第二步将第一步得到的单晶氧化锌纳米线从衬底上刮下，与已配好 的9%聚乙烯醇溶液(PVA)按质量比l: 40进行混合，搅拌得到均一混 合液。第三步将聚合物与氧化锌的混合溶液装迸带有毛细管喷头的注射器内， 并加以28KV的高压，从而在喷头和接地的接收装置之间(间距12cm)射 流在从喷口向接收装置运动过程中产生了拉伸，最终在接收装置上形成纳 米纤维。
权利要求
1.制备有机聚合物包裹单晶氧化锌共轴复合纳米线的方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤一.制备单晶氧化锌纳米线以硅、蓝宝石或石英当中的任何一种为衬底，用氧气和氩气作为载气，以锌粉作为原材料在600-750℃条件下，气压恒定0.09MPa条件下，反应30分钟，得到单晶氧化锌纳米线；步骤二.制备聚合物与氧化锌的混合溶液将步骤一中得到的单晶氧化锌纳米线，混入已配好的聚合物溶液中，经搅拌得到均一聚合物与氧化锌的混合溶液；步骤三.制备聚合物包裹单晶氧化锌纳米线的共轴复合结构将步骤二中得到的聚合物与氧化锌的混合溶液，进行静电纺丝，得到聚合物包裹单晶氧化锌纳米线的共轴复合结构，所获得的共轴复合纳米结构中氧化锌呈单晶态。
2. 如权利要求1所述的制备聚合物包裹单晶氧化锌共轴复合纳米线的 方法，其特征在于在步骤一中，以氧化锌粉末与碳粉的混合物为原材料在 1050-115(TC、气压恒定0.09MPa条件下，反应30分钟，得到单晶氧化锌 纳米线。
3. 如权利要求1所述的制备聚合物包裹单晶氧化锌共轴复合纳米线的 方法，其特征在于步骤一中通入氧气和氩气体积比是l: 20。
4. 如权利要求1所述的制备聚合物包裹单晶氧化锌共轴复合纳米线的 方法，其特征在于步骤二中聚合物溶液为聚乙烯醇、聚甲基苯烯酸乙脂、 硅橡胶、聚苯乙烯中的任何一种。
5. 如权利要求1所述的制备聚合物包裹单晶氧化锌共轴复合纳米线的 方法，其特征在于步骤二中的聚合物与氧化锌的混合溶液中，单晶氧化锌 纳米线与聚合物溶液质量比是在l: 20到1: 40之间。
全文摘要
制备有机聚合物包裹单晶氧化锌共轴复合纳米线的方法是一种在气相传输制备单晶体纳米线的基础上，结合静电纺丝法制作的有机聚合物包裹半导体单晶纳米线的共轴复合材料，称之为电子纤维。该方法包括如下步骤步骤一、制备单晶氧化锌纳米线；步骤二、制备聚合物与氧化锌的混合溶液；步骤三、制备聚合物包裹单晶氧化锌纳米线的共轴复合结构。本发明制备的共轴复合纳米线中的半导体纳米线有很均匀的尺寸以及很好的结晶性，更有利于制成多种纳米功能器件，例如场效应管，化学、生物传感器等。
文档编号D01F8/00GK101130900SQ20071002552
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月3日 优先权日2007年8月3日
发明者孙小卫, 张晓兵, 徐春祥, 朱光平, 王保平, 童克勤, 科 郑, 威 雷 申请人:东南大学