专利名称：一种控制ZnO纳米材料尺寸的有效方法
技术领域：
本发明涉及采取化学方法制备无机半导体材料过程中有效控制其尺寸 的工艺方法，特别是涉及一种在衬底上生长尺寸较小的ZnO纳米棒的工艺方法。
背景技术：
一维半导体纳米材料因其二维量子限域作用而具有非线性光学性能、 光致发光、高发光效率、较低的激光发射阈值，且有超高机械强度、高化学稳定性和热稳定 性等优良的物理性能，在许多领域表现出巨大的应用潜力，具有广阔的应用前景。目前，制 备一维半导体纳米材料的方法包括物理方法和化学方法两大方面，对于物理方法来说一般 采用气相传输法、热蒸发法等。然而这些方法需要专门的设备，成本较高且生长过程较复 杂。相对而言，化学方法，例如水热法、溶胶凝胶法、微乳液法和化学共沉淀法等，这些化学 方法大多仅将反应物用水等溶剂溶解后，放入反应器皿中热处理即可。与物理方法相比， 它们操作方便，成本较低且工艺条件简单，一般可在低温条件下完成。但是，无论物理还是 化学方法，其生长的一维半导体材料，例如ZnO纳米棒，其尺寸都较大，不能实现器件化应 用。因此，实现一维小尺寸纳米材料的制备就显得尤其重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制ZnO纳米材料尺寸的有效方法，主要是 解决化学方法制备ZnO纳米材料时其尺寸过大不能实现器件化应用的问题。本发明的一种控制ZnO纳米材料尺寸的有效方法如下所述它是以冰水为溶剂， 以C6H12N4 (六亚甲基四胺)和Zn(NO3)2 ·6Η20(六水硝酸锌)为溶质，经由配置冰水溶剂、配 置反应溶液和热处理三步工艺实现的。所述的配置冰水溶剂，是将去离子水在低于_18°C温度下成冰，再加入2-3倍去离 子水使冰融化成0-5°C的含冰水。所述的配置反应溶液，是按C6H12N4与Zn(NO3)2 · 6H20的摩尔比为1 1， C6H12N4与冰水、Zn (NO3) 2 · 6H20与冰水的重量配比分别是(0. 7-3. 0) (100-200)、 (1. 4-6. 0) (100-200)的比例将C6H12N4、Zn (NO3) 2 · 6H20分别放入所述冰水溶剂中溶解形 成两种预反应溶液，然后将两种预反应溶液中的C6H12N4冰水溶液倒入Zn(NO3)2 · 6H20冰水 溶液中进行混合并充分搅拌形成混合溶液。本发明的有益效果该发明采用冰水替代常温离子水作为溶剂，通过降低溶质在 单溶液及混合溶液其冰水中的溶解速度来控制初始生长过程中其晶核成核速度，从而达到 降低材料的生长速度，它不仅能够实现粉体材料的尺寸可控，还能够实现在硅衬底、光滑玻 璃衬底、ITO导电玻璃衬底等大多数衬底上ZnO材料的尺寸可控有序生长，最终实现小尺寸 ZnO纳米材料在衬底上的生长。并使材料减小尺寸近一半，彻底解决了常规化学方法制备材 料尺寸较大的问题。与现有技术相比具有突出的实质性特点与显著的进步。由于冰水条件 要求不高，对材料的其它性能不产生不宜影响，因此该技术不仅具有材料尺寸可控的突出 优势，而且具有性能稳定、成本低廉，明显提高产品光学性能的特点，能为制备纳米电子器 件和纳米光电子器件提供重要的材料。使无机半导体材料的器件化应用成为现实。可靠地 实现了发明目的。与此同时，该发明还具有工艺过程简单、原料广泛易得、控制效果显著、既 经济又实用、应用前景广阔、适合进行推广，可实现工业化大规模生产等优点。
图1是本发明与常规方法制备的ZnO纳米棒生长过程示意图；图2是在硅衬底上生长的ZnO纳米棒的SEM谱图；图3是在硅衬底上生长的ZnO纳米棒的PL谱图；图4是在ITO导电玻璃衬底上生长的ZnO纳米棒的SEM谱图。
具体实施例方式本发明以冰水为溶剂，以C6H12N4(六亚甲基四胺)和 Zn(NO3)2 ·6Η20(六水硝酸锌)为溶质，首先是配置冰水溶剂1，冰水溶剂的配置是将去离子 水在-20——22°C温度条件下冷冻成冰，然后再加入2倍去离子水使冰融化成0_5°C的含冰 水即可使用。将反应原料C6H12N4与Zn (NO3) 2 · 6H20按照C6H12N4与Zn (NO3) 2 · 6H20的摩尔比 为1 1，C6H12N4与冰水、Zn(NO3)2 ·6Η20与冰水的重量配比按以下表1所示的比例分别放 入配置好的冰水溶剂中溶解形成预反应溶液。表1给出了4组两种预反应溶液的配比详见 表1表1两种预反应溶液的配比情况表(单位为重量份)
权利要求
一种控制ZnO纳米材料尺寸的有效方法，其特征在于该方法是以冰水为溶剂，并由配置冰水溶剂(1)、配置反应溶液(2)和热处理(3)的工艺步骤组成。
2.根据权利要求1所述的控制ZnO纳米材料尺寸的有效方法，其特征在于所述的配 置冰水溶剂(1)是将去离子水在低于_18°C温度下成冰，再加入2-3倍去离子水使冰融化成 0-5 °C的含冰水。
3.根据权利要求1所述的控制ZnO纳米材料尺寸的有效方法，其特征在于所述的配 置反应溶液⑵，是按C6H12N4与Zn(NO3)2 ·6Η20的摩尔比为LC6H12N4与冰水、Zn (NO3)2 ·6Η20 与冰水的重量配比分别是(0.7-3.0) (100-200)、(1. 4-6. 0) (100-200)的比例将 C6H12N4, Zn(NO3)2 · 6Η20分别放入以上所述冰水溶剂中溶解形成两种预反应溶液，然后将两 种预反应溶液中的C6H12N4冰水溶液倒入Zn (NO3) 2 ·6Η20冰水溶液中进行混合并充分搅拌形 成混合溶液。
全文摘要
本发明公开了化学方法制备ZnO纳米材料过程中的一种控制ZnO纳米材料尺寸的有效方法，它是以冰水为溶剂，并由配置冰水溶剂(1)、配置反应溶液(2)和热处理(3)的工艺步骤组成。它以冰水替代离子水，通过降低溶质在冰水中的溶解速度来控制初始生长过程中其晶核成核速度，从而降低材料的生长速度，使其与常温溶剂所制ZnO纳米棒相比尺寸减小近半，并实现粉体材料与衬底上ZnO材料的尺寸可控生长，为制备纳米电子器件及纳米光电子器件提供重要材料，使无机半导体材料的器件化应用成为现实。还具有工艺过程简单、原料广泛易得、控制效果显著、光学性能稳定、既经济又实用、应用前景广阔、适合进行推广，可实现工业化大规模生产等优点。
文档编号C01G9/02GK101993108SQ20091006740
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者刘洋, 李雪, 杨景海, 郎集会, 魏茂彬 申请人:吉林师范大学