一种石墨烯衬底上ZnO分级纳米阵列及其制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及ZnO分级纳米阵列及其制备方法，特别涉及生长石墨稀衬底上的ZnO分级纳米阵列及其制备方法、应用。
【背景技术】
[0002]氧化锌ZnO (室温带隙宽度为3.37eV)是I1- VI族纤锌矿结构的直接带隙半导体材料，束缚激子结合能高达60meV，同时氧化锌原材料丰富，价格低廉，对环境无害等优点，被广泛应用于表面声波器件、微电子以及光电子器件等领域。目前，一维ZnO纳米阵列已被证实具有独特的物理特性，如量子尺寸效应，表面效应等，是当前国际纳米光电子器件领域的的前沿和热点。一维ZnO纳米阵列是重要的一维纳米光电子器件的构件。基于ZnO异质纳米结构已广泛应用于场效应晶体管、气体传感器，光探测器，太阳能电池，光催化，压电驱动器。石墨烯作为最薄的单原子层二维材料，具有极高的载流子迀移率(230000cm2/V*s)、高的热导率(3000W/m -K)以及优越的光学特性(单层石墨烯的吸收率为2.3% )和力学特性(抗拉强度高达130GPa)，这说明石墨烯为制备高效、柔性、高性能器件提供了优良的可行性。但是，很难直接在纯净的石墨烯薄膜层上外延生长一维ZnO纳米阵列。这主要源于纯净的石墨烯薄膜其sp2杂化C原子层表面性质稳定，无多余悬挂键用于提供给金属原子进行反应形核，从而导致ZnO形核率低，难以直接生长ZnO纳米阵列。因此石墨烯衬底上生长ZnO纳米阵列一直是研宄的热点和难点。
[0003]居多研宄者采用了相关措施增加ZnO在石墨烯层上的形核率，归纳主要有以下两种办法:(I)在石墨烯衬底上预沉积金属Au或Ni等，通过添加金属催化剂以增加ZnO形核密度，后通过VLS法(Vapor-Liquid-Solid)催化生长一维ZnO纳米阵列，但是，催化生长法易在材料中引入金属污染物。(2)在石墨烯衬底上预沉积ZnO种子形核层。通过插入预先沉积ZnO种子层等作为形核层，然后通过水热法合成一维ZnO纳米阵列。但是，水热法ZnO种子层无法均匀的分布在石墨烯衬底上，因此需要在石墨烯先预沉积其他修饰层物质，比如导电聚合物，使得增添外来杂质，并且添加有机物使得器件使用温度降低。
[0004]由此可见，要使石墨烯上ZnO基高效、柔性、高性能器件真正实现广泛应用，最根本的办法就是解决石墨烯衬底上一维ZnO纳米阵列形核难的问题，实现在石墨烯层上无催化并不引入杂质地直接生长一维ZnO纳米阵列。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的之一在于提供一种生长在石墨烯纳米片衬底上的分级ZnO纳米阵列，具有形核简单、高质量、柔性、高导热等优点，且制备成本低廉。本发明的目的之二在于提供上述石墨烯纳米片衬底上的分级ZnO纳米阵列制备方法。本发明的目的之三在于提供上述石墨烯纳米片衬底上的分级ZnO纳米阵列的应用。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0007]—种石墨稀衬底上分级ZnO纳米阵列，包括石墨稀纳米片衬底以及石墨稀纳米片衬底上无催化CVD生长的分级ZnO纳米阵列，所述的石墨烯纳米片旋涂于Si或蓝宝石衬底上。
[0008]一种石墨烯衬底上分级ZnO纳米阵列的制备方法，包括以下步骤:
[0009](I)采用石墨烯纳米片为衬底，将制备的石墨烯纳米片旋涂于Si或蓝宝石衬底上，旋涂数次1-3次，旋涂速度1000-6000rmp ；
[0010](2)将步骤(I)中石墨烯纳米片旋涂的衬底放入CVD水平管式炉中，采用化学气相沉积CVD法无催化生长分级ZnO纳米阵列，通过控制管式炉工艺参数气氛流量的氧气流量、氩气流量；生长温度；生长时间，石墨烯衬底放置位置于l-3cm直径石英管中，最终直接无催化无损伤地生长出分级ZnO纳米阵列。
[0011]进一步的，所述的石墨稀衬底上分级ZnO纳米阵列的制备方法，步骤(I)中制备的石墨稀纳米片直径为5-100um，厚度为0.5_2nm，浓度为0.1-lmg/ml。
[0012]进一步的，所述的石墨稀衬底上分级ZnO纳米阵列的制备方法，步骤(2)中控制管式炉工艺参数如下，气氛流量:氧气流量为40-200sccm，氩气为40-200sccm ;生长温度:600-8000C ;生长时间:30-120min。
[0013]进一步的，所述的石墨烯衬底上分级ZnO纳米阵列的制备方法，控制管式炉工艺参数如下，气氛流量:氧气流量为lOOsccm，氩气为lOOsccm;生长温度:700°C ;生长时间:60min，石墨稀衬底放置于2cm直径石英管中。
[0014]进一步的，所述的石墨稀衬底上分级ZnO纳米阵列的应用，该分级ZnO纳米阵列用于制备ZnO基紫外光电探测器。
[0015]进一步的，所述的石墨稀衬底上分级ZnO纳米阵列的应用，该分级ZnO纳米阵列用于制备ZnO基LED器件。
[0016]进一步的，所述的石墨稀衬底上分级ZnO纳米阵列的应用，该分级ZnO纳米阵列用于制备ZnO杂化太阳能电池器件。
[0017]与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果:
[0018](I)本发明使用石墨烯纳米片作为衬底，无需催化剂和其他形核种子层。采用石墨烯纳米片作衬底可极大地提高半导体材料的形核率，这主要是由于:石墨烯纳米片本身具有大量的棱边台阶，可为反应形核提供富余悬挂键，增加纳米材料在石墨烯衬底上的形核点，从而形成纳米材料的选区无催化生长模式。这既无需预沉积金属催化剂和其他形种子核层，达到避免带来外来杂质等污染的效果，又解决形核难的问题。这是目前石墨烯衬底上生长ZnO纳米材料研宄中所忽视的一个现象。
[0019](2)本发明所获得的是分级ZnO纳米阵列。石墨烯纳米片可提供选区生长，从而可获得分级纳米结构，其形貌与沉积工艺参数具有密切的关系，通过调整工艺参数可生长出分级ZnO纳米线/柱阵列。
[0020](3)制备出分级ZnO纳米线/柱阵列，其缺陷密度低，比表面高，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的效率。
[0021](4)使用石墨烯纳米片作为衬底，容易获得，价格便宜，且能够转移至柔性衬底以及尚导热衬底上，有利于制备尚效、柔性、尚性能ZnO基器件。
【附图说明】
[0022]图1为本发明制备的石墨稀纳米片衬底上分级ZnO纳米阵列的截面示意图。
[0023]图2为本发明制备的石墨稀纳米片衬底上分级ZnO纳米阵列的XRD测试图。
[0024]图3为本发明制备的石墨烯纳米片衬底上分级ZnO纳米阵列的扫描电镜图。
[0025]图4为本发明制备的石墨稀纳米片衬底上分级ZnO纳米阵列光响应测试图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0027]实施例1
[0028]本实施例生长在石墨烯纳米片衬底上分级ZnO纳米阵列的制备方法，包括以下步骤:
[0029](I)采用石墨稀纳米片为衬底:将制备的石墨稀纳米片(直径为5_15um，厚度为0.5nm，浓度为0.lmg/ml)旋涂于n_Si衬底等常规衬底，旋涂层数数次为3次，旋涂速度100rmp ；
[0030](2)CVD法无催化生长分级ZnO纳米阵列:将上述石墨稀纳米片旋涂的衬底放入CVD水平管式炉中，采用常见化学气相沉积CVD法无催化生长分级ZnO纳米阵列。通过控制管式炉工艺参数:气氛流量(氧气流量为40sccm，氩气为40sccm)、生长温度600°C、生长时间120min、石墨烯衬底放置位置于Icm直径石英管中，最终直接无催化无损伤地生长出分级ZnO纳米阵列。
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