专利名称：利用锌量子点制备氧化锌纳米棒的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用锌量子点制备氧化锌纳米棒的方法，属于纳米材料和纳米结构制备 技术领域。
背景技术：
氧化锌是一种具有重要应用价值的n-vi族半导体材料，是少数几种易于实现量子尺寸 的氧化物半导体材料之一，也是目前国际上短波半导体激光器件材料研究的热点。氧化锌纳 米材料具有良好的导电性、导热性、化学稳定性、荧光性、压电性以及吸收和散射紫外线能力，应用前景极为广阔。氧化锌一维纳米结构的制备方法、定向生长机理和性能研究，是发 明创新和高技术产生的重要源泉。氧化锌纳米棒属于一维纳米结构，电子和光学激子在纳米棒中只能沿轴向有效传输，因 而可以作为集成纳米阵列器件的基本单元，可以用作纳米器件及超大规模集成电路中的连接 导线、光导纤维、以及纳米悬臂和纳米探针等。氧化锌纳米棒的制备方法很多，但依据生长机 理的不同，可以将其分成三大类(1) 气一液一固法。气一液一固法的特征是纳米线的生长依赖于先形成一种包含有催化 剂元素(如AU等)的合金或金属液滴，合金液滴变得过饱和后，纳米棒开始生长，从而形成一 维纳米结构，由于需要金属液滴作为催化剂，这种方法一般需要高温，而且在长成的纳米线的端部还带有催化剂杂质，影响纳米棒的性能。如中国专利(申请号2004 1 0029905. 8) 公布了一种硅衬底纳米氧化锌及其制备方法和应用，该发明属于气一液一固法。世界知识产 权局公开了一种制备氧化锌纳米棒阵列的方法，申请号是:WO 05044722。该方法首先需要制 备锌纳米颗粒，然后将纳米颗粒包复或者涂复在基片上，形成缓冲层和晶种层，随后在包含有 锌硝酸盐的营养液中生长出氧化锌纳米棒，然后还要用去离子水清洗，然后再脱水,等等，该 发明也属于气一液一固法，而且制备工艺复杂，工艺条件难以控制，难以工业化生产。(2) 气一固法。气一固法又可以分为物理气相沉积和化学气相沉积两种，前者是物理蒸 发和再沉积过程，属于物理过程;后者在形成蒸气后发生了化学变化，所形成的一维纳米材料 与前驱体反应物化学组成不同，但无论哪一种，都需要将材料从固体态变为气态，因此，气-固法一般需要很高的温度，能耗较高。中国专利02115818. 5，公布了一种ZnO纳米晶须材料及其制备方法，该方法将冶金含锌废弃物富集后，装入石墨柑锅，再将它们放入真空蒸发室 中，用高频加热设备蒸发富锌料，调节氧化反应室的压力为8000-10000Pa，加热富锌料时用 惰性气体将Zn蒸气焰从真空蒸发室导入氧化反应室，控制混合气体体积百分比在60 %-80 %02。当Zn蒸气焰喷出时，用高速细流的惰性气体将Zn蒸气焰冲入反应室，Zn蒸气焰冷 凝并与02反应，生成Zn0纳米晶须。美国专利商标局2007年5月5日公开了一种名为"制造 氧化锌纳米线的方法和装置"的发明，申请号20070154385，它主要包括在基片上形成包 含有羟基团族的氧化锌晶粒层，并在这种晶粒层上生长氧化锌纳米线。其中氧化锌晶粒层的 制备是通过将金属锌和氧化剂气化得到的，上述方法都属于气一固法。此外，美国专利 US6863943, US6586095, US7294417等也都属于气一固法。(3)模板法。这种方法需要首先制备出多孔模板，然后结合电沉积、溶胶凝胶、气相法 等来实现纳米线在孔洞中的生长，有时需要在模板上沉积或者蒸镀催化剂，最后，利用适当的 化学腐蚀方法除掉模板，得到需要的纳米线。模板法过程复杂，当模板被酸或碱除去之后， 纳米线将聚集在一起，其有序性将被破坏。发明内容本发明提出了一种利用锌量子点制备氧化锌纳米棒的方法，其目的在于克服现有的气一 液一固法和气一固法，需要高温，能耗高，制备过程都排泄污染物，而且在长成的纳米线的 端部还带有催化剂杂质，影响纳米棒的性能；模板法过程复杂，当模板被酸或碱除去之后， 纳米线将聚集在一起，其有序性将被破坏等弊端。本发明既不同于气一液一固法，也不同于 气一固法，更不同于模板法。本发明是通过锌量子点和氧化剂反应来制备氧化锌纳米棒，所 述的锌量子点是通过滚压振动磨在干法室温状态下制备的。本发明方法无需催化剂，不污染 产物；反应温度较低，大约在150°C-300°C,能耗低；反应速度高，制备效率高；操作简便， 生产批量大；制备过程的副产物只有氢气，不产生任何污染物；得到的氧化锌纳米棒具有特 定的生长方向，应用价值高。利用锌量子点制备氧化锌纳米棒的方法，其特征在于通过锌量子点和氧化剂反应来制 备氧化锌纳米棒。制备方法步骤如下A) 先将尺度为3-5纳米、纯度为95%以上的锌量子点放入反应器内；B) 将反应器内的空气气氛完全置换成氩气气氛；C) 加热反应器，使反应器内的温度升至15(rC-30(TC;D) 保持预定温度不变，使氩气携带氧化剂进入反应器，与锌量子点发生接触反应；E) 提高携带氧化剂的氩气的流速，持续向反应器提供氧化剂，直到反应结束；F) 关闭反应器的氧化剂入口，向反应器通入纯净的氩气，冷却反应器，当温度达到室温 时，收集反应器中的产物，即为氧化锌纳米棒。制备中使用的氧化剂为水蒸气。用氩气气氛置换反应器中的空气气氛，是利用纯度为99.9%以上的氩气以1L/min的流速 充分吹扫反应器内部，至少吹扫3遍。锌量子点是通过滚压振动磨在干法室温状态下制备的。本发明的优点和积极效果是(1)无需催化剂，不污染产物；(2)反应温度较低，大约在150°C-300°C，能耗低；(3)反应速度高，制备效率高；(4)操作简便，生产批量大；(5)制备过程的副产物只有氢气，不产生任何污染物；(6)得到的氧化锌纳米棒具有特定的生长方 向，应用价值高。
图1是本发明方法的工艺过程示意图。1.氩气瓶；2.三通管；3.阀门A; 4.阀门B; 5.阀门C; 6.普通电加热套；7.智能 恒温电加热套；8.三口烧瓶A; 9.三口烧瓶B; 10.三口烧瓶C; 11.冷凝管。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明加以详细说明。反应器选用三口烧瓶；首先利用滚压振动磨在干法室温状态下制备锌量子点。 第一步，在三口烧瓶A8中加入纯净水，在三口烧瓶B9中加入尺度为3-5纳米、纯度为 95%以上、质量为10g的锌量子点，将阀门A3、阀门B4、阀门C5打开，氩气由氩气瓶1以1L/min 的流速将纯度为99. 9%以上的氩气通入三口烧瓶A8和三口烧瓶B9中，让氩气充分吹扫并彻底 置换三口烧瓶A8和三口烧瓶B9中的空气，此步骤至少重复3次。第二步，关闭阀门A3、阀 门C5，将普通电加热套6、智能恒温电加热套7通电，利用普通电加热套6加热纯净水，利 用智能恒温电加热套7加热纳米锌粉，智能恒温电加热套7的设定温度为15CTC-30(TC。第三 步，待三口烧瓶A8中水蒸气已生成且三口烧瓶B9中的纳米锌粉达到设定温度时，打开阀门 A3、阀门C5，关闭阀门B4，调整氩气的流速为5L/min，使氩气通过三口烧瓶A8携带水蒸气通过水蒸气入口进入三口烧瓶B，与预热过的纳米锌粉发生接触和反应，产生的副产物氢气由 三口烧瓶C10收集，同时打开冷凝装置ll，并持续向三口烧瓶B9中通入10min氩气携带的水 蒸气。第四步，关闭水蒸气入口阀门A3、阀门C5，打开反应器氩气入口阀门B4，向三口烧瓶 B9内以1L/min的流速持续通入不含水蒸气的纯净氩气，冷却反应器至室温，然后收集反应器 中的产物，即得到氧化锌纳米棒。 最佳实施例第一步，在三口烧瓶A8中加入纯净水，在三口烧瓶B9中加入尺度为3-5纳米、纯度为 95%以上、质量为10g的锌量子点，将阀门A3、阀门B4、阀门C5打开，氩气由氩气瓶1以1L/min 的流速将纯度为99. 9%以上的氩气通入三口烧瓶A8和三口烧瓶B9中，让氩气充分吹扫并彻底 置换三口烧瓶A8和三口烧瓶B9中的空气，此步骤至少重复3次。第二步，关闭阀门A3、阀 门C5，将普通电加热套6、智能恒温电加热套7通电，利用普通电加热套6加热纯净水，利 用智能恒温电加热套7加热纳米锌粉，将智能恒温电加热套7的温度设定为25(TC。第三步， 待三口烧瓶A8中水蒸气已生成且三口烧瓶B9中的纳米锌粉达到设定温度时，打开阀门A3、 阀门C5，关闭阀门B4，调整氩气的流速为5L/min，使氩气通过三口烧瓶A8携带水蒸气通过 水蒸气入口进入三口烧瓶B9，与预热过的纳米锌粉发生接触和反应，产生的副产物氢气由三 口烧瓶CIO收集，同时打开冷凝装置11，持续向三口烧瓶B9中通入10min氩气携带的水蒸气。 第四步，关闭水蒸气入口阀门A3、阀门C5，打开反应器的氩气入口阀门B4，向三口烧瓶B9 内以1L/min的流速持续通入不含水蒸气的纯净氩气，保持反应器内的气氛不变,冷却至室温， 然后收集反应器中的产物，即得到氧化锌纳米棒，其直径在40纳米以下，长度可达微米量级。
权利要求
1.利用锌量子点制备氧化锌纳米棒的方法，其特征在于通过锌量子点和氧化剂反应来制备氧化锌纳米棒。
2. 根据权利要求1所述的利用锌量子点制备氧化锌纳米棒的方法，其特征在于步骤如下A) 先将尺度为3-5纳米、纯度为95%以上的锌量子点放入反应器内；B) 将反应器内的空气气氛完全置换成氩气气氛；C) 加热反应器，使反应器内的温度升至150°C-30(TC;D) 保持预定温度不变，使氩气携带氧化剂进入反应器，与锌量子点发生接触反应；E) 提高携带氧化剂的氩气的流速，持续向反应器提供氧化剂，直到反应结束；F) 关闭反应器的氧化剂入口，向反应器通入纯净的氩气，冷却反应器，当温度达到室温 时，收集反应器中的产物，即为氧化锌纳米棒。
3. 根据权利要求1所述的利用锌量子点制备氧化锌纳米棒的方法，其特征在于制备中使用的氧化剂为水蒸气。
4. 根据权利要求l所述的利用锌量子点制备氧化锌纳米棒的方法，其特征在于用氩气气氛置换反应器中的空气气氛，是利用纯度为99.9%以上的氩气以1L/min的流速充分吹扫反应 器内部，至少吹扫3遍。
5. 根据权利要求1所述的利用锌量子点制备氧化锌纳米棒的方法，其特征在于锌量子点是 通过滚压振动磨在干法室温状态下制备的。
全文摘要
利用锌量子点制备氧化锌纳米棒的方法，是通过锌量子点和氧化剂反应来制备氧化锌纳米棒；先将尺度为3-5纳米、纯度为95％以上的锌量子点放入反应器；将反应器内的空气完全置换成氩气气氛；加热反应器，使温度升至150℃-300℃；保持温度不变，使氩气携带氧化剂进入反应器与锌量子点发生接触反应；提高携带氧化剂的氩气的流速，持续向反应器提供氧化剂，直到反应结束；关闭反应器的氧化剂入口，向反应器通入纯净的氩气，冷却反应器，当温度达到室温时，收集反应器中的产物，即为氧化锌纳米棒。本发明无需催化剂，不污染产物；制备过程的副产物只有氢气，对环境无污染；反应温度低，能耗低；得到的氧化锌纳米棒具有特定的生长方向，应用价值高。
文档编号C01G9/00GK101249980SQ200810035110
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月25日 优先权日2008年3月25日
发明者丁浩冉, 王树林, 陈星建, 韩光强 申请人:上海理工大学