专利名称：一种制备纳米片叠加的层状氧化锌的方法
技术领域：
本发明是制备一种新形貌的氧化锌纳米材料的新方法，涉及气敏材料、电子材料。
背景技术：
氧化锌作为II-VI族半导体材料由于其独特的光、电和化学性质，在发光二极管、太阳能电池、传感器、光催化等领域得到了广泛的应用，与半导体激光材料GaN相比，氧化锌是一种成本低廉的半导体，其晶格常数、禁带宽度等都与GaN相似，而且氧化锌具有较大的激子束缚能，更易于在室温或者高温下实现激子发射；纳米氧化锌也是一种很好的气敏材料，对许多气体都有很好的响应，而且化学性质稳定、成本低廉。制备和组装不同结构的纳米结构氧化锌是最近几年研究的热点，人们制备了多种形貌的氧化锌纳米材料，包括纳米线、纳米带、纳米棒、纳米管、针状、环状、海胆状、梳状纳米氧化锌等，这些对器件的应用都很重要。大量的实验表明，通过改变实验条件调控纳米材料的结构是一种可行的控制材料电学、光学性质的有效方法。
本发明的目的在于制备一种层状氧化锌，可以作为一种良好的气敏材料，在微电子、光学领域中有着潜在的应用前景。
发明内容
本发明的主要内容是将锌粉和铁盐分散到无水乙醇或者蒸馏水中经超声分散后滴到硅片上，晾干后在350～800℃空气中热处理1～6小时，得到由片状纳米氧化锌叠加成的层状氧化锌；铁盐与锌粉的摩尔比范围在3.0×10-5∶1～7.0×10-3∶1；制备的层状氧化锌由3～17个厚度为140～240nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌的上、下表面向外生长出很多短棒，长度为120～300nm，直径为5-50nm，整个层状氧化锌厚度为3～9μm。
本发明是这样实现的将粒径为5-10μm的锌粉和硝酸铁分散到无水乙醇或者蒸馏水中，保持硝酸铁与锌粉的摩尔比范围在3.0×10-5∶1～7.0×10-3∶1，溶液超声分散后滴加到硅片上，晾干后在空气氛围中350～800℃空气中热处理1～6小时，即可得到片状纳米氧化锌叠加成的层状氧化锌。在反应过程中，硝酸铁在比较高的温度下(300℃空气中)分解成Fe2O3，Fe2O3在硅片上形成了小液滴；然后，继续升温到350℃空气中时，锌开始逐渐汽化，这时原来已经形成液滴的Fe2O3与锌蒸汽一起过饱和，于是氧化锌开始成核。依据晶体生长理论，当液滴的半径达到某一临界值时，氧化锌开始生成。氧化锌沿着表面自由能最小化的方向继续生长。硅片的作用非常重要，硅片作为催化剂氧化铁小液滴的附着点，直接影响产物的形成。硝酸铁和硅片的作用对于层状氧化锌的形成至关重要，没有硝酸铁或者硅片参与反应时，不能得到片状纳米氧化锌叠加成的层状氧化锌。
本发明也可以这样实现将粒径为5-10μm的锌粉分别与适量的硝酸铁、硝酸亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁和氯化亚铁分散到蒸馏水中，铁盐与锌粉的摩尔比范围在3.0×10-5∶1～7.0×10-3∶1，溶液超声分散后滴加到硅片上，晾干后350～800℃空气中热处理1～6小时，即可得到片状纳米氧化锌叠加成的层状氧化锌。
本发明的步骤为采用锌粉为原料，以铁盐作为催化剂，铁盐与锌粉的摩尔比范围在3.0×10-5∶1～7.0×10-3∶1，将二者加入到无水乙醇或蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后350～800℃空气中热处理1～6小时，即可得到层状氧化锌，制备的层状氧化锌由3～17个厚度140～240nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌上、下表面向外生长出很多短棒，长度为120～300nm，直径为5-50nm，整个层状氧化锌厚度为3～9μm。
本发明首次采用铁盐作为催化剂，制备出一种由片状纳米氧化锌叠加成的层状氧化锌。该合成方法工艺简单、成本低廉，技术关键在于1、恰当的催化剂用量，即铁盐和锌粉的摩尔百分比，应控制在3.0×10-5∶1～7.0×10-3∶1之间，才能获得层状氧化锌；2、合理的合成温度，合成温度在350℃以上才能合成层状氧化锌；用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对制备的层状氧化锌进行了研究，表明在上述条件下合成层状氧化锌形貌均一，分散性好；紫外吸收光谱(UV)和激发荧光光谱(PL)研究表明，光吸收峰和光致发光峰都有显著的蓝移，表明这种由片状纳米氧化锌叠加成的层状氧化锌能够改善ZnO晶体的质量，增大其发光带隙宽度，增强其边带束缚激子发光。
气敏性质研究发现，由片状纳米氧化锌叠加成的层状氧化锌对甲醇、乙醇、丙酮等气体具有很好的响应，其中对空气中浓度为100ppm的乙醇气体和丙酮气体，电阻灵敏度均超过了20；响应和恢复时间短，达到稳态后非常稳定，可以连续测量，不会因为长时间在浓度气体中工作而失效。
本方法具有工艺过程简单、易于控制、合成设备简单、产率高等优点。
实施例实施例1采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以硝酸铁作为催化剂，硝酸铁与锌粉的摩尔比为7.0×10-5∶1，将二者加入到乙醇或者蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后350℃空气中热处理1小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由3-5个厚度为140～180nm片状氧化锌叠加而成，上、下表面向外生长出很多短棒，长度为120～200nm，整个层状氧化锌厚度为2～4μm。
实施例2采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以硝酸铁作为催化剂，硝酸铁与锌粉的摩尔比为7.0×10-5∶1，将二者加入到乙醇或者蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后430℃空气中热处理1小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由6-9个厚度为160～200nm片状氧化锌叠加而成，上、下表面向外生长出很多短棒，长度为150～220nm，整个层状氧化锌厚度为3～5μm。
实施例3采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以硝酸铁作为催化剂，硝酸铁与锌粉的摩尔比为7.0×10-5∶1，将二者加入到乙醇或者蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后800℃空气中热处理1小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由8-12个厚度为180～220nm片状氧化锌叠加而成，上、下表面向外生长出很多短棒，长度为140～200nm，整个层状氧化锌厚度为4～7μm。
实施例4采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以硝酸铁作为催化剂，硝酸铁与锌粉的摩尔比范围在7.0×10-4∶1，将二者加入到无水乙醇或者蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后360℃空气中热处理6小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由5～7个厚度为170～210nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌的上、下表面向外生长出很多纳米棒，长度为120～200nm，整个层状氧化锌厚度为3～5μm。
实施例5采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以硝酸铁作为催化剂，硝酸铁与锌粉的摩尔比范围在7.0×10-4∶1，将二者加入到无水乙醇或者蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后在750℃空气中热处理6小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由13～17个厚度为180～220nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌的上、下表面向外生长出很多短棒，长度为150～300nm，整个层状氧化锌厚度为5～8μm。
实施例6采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以硝酸铁作为催化剂，硝酸铁与锌粉的摩尔比范围在7.0×10-4∶1，将二者加入到无水乙醇或者蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后在800℃空气中热处理6小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由5～7个厚度为180～220nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌的上、下表面向外生长出很多短棒，长度为140～200nm，整个层状氧化锌厚度为3～5μm。
实施例7采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以硝酸铁作为催化剂，硝酸铁与锌粉的摩尔比范围在7.0×10-3∶1，将二者加入到无水乙醇或者蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后600℃空气中热处理6小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由6～9个厚度为140～170nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌的上、下表面向外生长出很多短棒，长度为150～270nm，整个层状氧化锌厚度为3～5μm。测量其气敏性质，发现对甲醇、乙醇、丙酮等气体具有很好的响应，其中对空气中浓度为100ppm的乙醇气体和丙酮气体，电阻灵敏度均超过了20。
实施例8采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以硫酸铁作为催化剂，与锌粉的摩尔比范围在7.0×10-4∶1，将二者加入到蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后390℃空气中热处理6小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌13～17个由厚度为190～230nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌的上、下表面向外生长出很多短棒，长度为180～290nm，整个层状氧化锌厚度为5～8μm。
实施例9采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以硝酸亚铁作为催化剂，硝酸亚铁与锌粉的摩尔比为7.0×10-4∶1，将二者加入到乙醇或者蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后450℃空气中热处理6小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由11～15个厚度为190～230nm片状氧化锌叠加而成，上、下表面向外生长出很多短棒，长度为200～300nm，整个层状氧化锌厚度为4～7μm。
实施例10采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以硫酸亚铁作为催化剂，硫酸亚铁与锌粉的摩尔比范围在7.0×10-4∶1，将二者加入到蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后450℃空气中热处理6小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由10～13个厚度为200～240nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌的上、下表面向外生长出很多短棒，长度为150～270nm，整个层状氧化锌厚度为4～6μm。
实施例11采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以氯化亚铁作为催化剂，氯化亚铁与锌粉的摩尔比7.0×10-4∶1，将二者加入到蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后350℃空气中热处理6小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由13～17个厚度为200～230nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌的上、下表面带向外生长出很多短棒，长度为200～300nm，整个层状氧化锌厚度为6～9μm。
实施例12采用粒径为5-10μm的锌粉为原料，以氯化铁作为催化剂，氯化铁与锌粉的摩尔比为7.0×10-4∶1，将二者加入到蒸馏水中，超声分散后滴加到硅片上晾干，然后800℃空气中热处理6小时，自然冷却至室温后取出，即可得到层状氧化锌。制备的层状氧化锌由9～12个厚度为150～180nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌的上、下表面带向外生长出很多短棒，长度为150～240nm，整个层状氧化锌厚度为4～6μm。
权利要求
1.一种制备纳米片叠加的层状氧化锌的方法，其特征在于将锌粉和铁盐分散到无水乙醇或蒸馏水中经超声分散后滴到硅片上，晾干后在350～800℃空气中热处理1～6小时，得到由片状纳米氧化锌叠加成的层状氧化锌。
2.如权力要求1所述的一种制备纳米片叠加的层状氧化锌的方法，其特征在于铁盐与锌粉的摩尔比范围在3.0×10-5∶1～7.0×10-3∶1。
3.如权力要求1所述的一种制备纳米片叠加的层状氧化锌的方法，其特征在于制备的层状氧化锌由3～17个厚度为140～240nm片状氧化锌叠加而成，层状氧化锌的上、下表面向外生长出很多短棒，长度为120～300nm，直径为5-50nm，整个层状氧化锌厚度为3～9μm。
全文摘要
一种制备由纳米片叠加的层状氧化锌的方法，涉及气敏材料和电子材料，本发明提供了一种制备层状氧化锌的方法，即将锌粉和铁盐分散到乙醇或者蒸馏水中，加入适量的铁盐作为催化剂，将其滴加到硅片上，晾干后在空气氛围中350～800℃空气中热处理1～6小时，即获得了层状氧化锌，此方法制备由片状纳米氧化锌叠加成的层状氧化锌具有工艺简单、操作方便、成本低廉等优点，具有良好的应用前景。
文档编号B82B1/00GK1899969SQ20061010348
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月24日 优先权日2006年7月24日
发明者曹传宝, 杨洪伟 申请人:北京理工大学