一种可调控结构形貌的氧化锌纳米结构制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氧化锌纳米结构制备方法，特别是利用离子轰击技术调控枝状和线状氧化锌纳米结构形貌的氧化锌纳米结构制备方法，属于纳米材料领域。
【背景技术】
[0002]ZnO是一种重要的宽带隙半导体材料，在微电子和光电子领域具有重要的应用前景，可以用于制作太阳能电池、紫外发光二极管、透明薄膜晶体管等。ZnO纳米结构具有稳定的结构、较大的长径比和比表面积，并且可大面积制备，在大面积电子源等有重要的应用前景。ZnO纳米结构的低成本制备和可控制备是影响其应用的重要因素。
[0003]目前，ZnO纳米结构的制备方法主要有气相输运法[Z.L.Wang, J.Phys.Condens.Matter, 16, R829-R858(2004)],化学气相沉积法[M.Purica, etal,Thin Solid Films, 403, 485-488 (2002)],溶液法[L.Vayssieres, AdvancedMaterials, 15, 464-466 (2003)]和热氧化法[Y.G.Wang, et al, Journal of AppliedPhysics, 94，354-358 (2003)]。一般来说，气相输运法，化学气相沉积法得到的氧化锌纳米结构具有很好的结晶性能，但同时需要在较高的温度下制备，难以与器件结构直接集成，其应用范围受到限制。溶液法的制备温度较低，并且具有操作简单、成本低廉和形貌良好的优点，但低温制备的材料结晶度较低，并与衬底的附着力和电接触性能较差，溶液还容易引入杂质污染等，不利于实际应用。另外，较多的氧化锌纳米结构的制备方法使用了催化剂[M.H.Huang, et al, 13，113-116(2001)]。催化剂的使用不仅增加了工艺复杂程度，而且还会在制备的ZnO纳米结构引入不必要的杂质。相比较之下，不使用催化剂的热氧化法具有制备简单，成本低，结晶性好，可控性好和可大面积制备等优点，在大面积冷阴极电子源等应用场合有优势。
[0004]目前为止，使用无催化剂的热氧化法制备形貌良好的线状氧化锌纳米结构[C.X.Zhao, et al, Cryst.Growth Des.，13，2897-2905 (2013)]和枝状氧化锌纳米结构[J.F.Hong, et al, Appl.Phys.Lett., 85, 4142 (2004)]已经被报道，但是还没有一项技术可以成功地同时制备并调控线状和枝状氧化锌纳米结构的形貌。毫无疑问，通过简单的处理技术实现线状和枝状氧化锌纳米结构的形貌调控，从而实现相同的工艺步骤下实现多种形貌氧化锌纳米结构的可控制备，具有重要的应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过控制离子轰击时间来调控枝状和线状氧化锌纳米结构形貌，且可低温的、大面积制备的制备出可控性好、均匀性好的氧化锌纳米结构的制备方法。
[0006]本发明采用以下技术方案解决现有技术问题:
[0007]—种可调控结构形貌的氧化锌纳米结构制备方法，包括以下工艺步骤如下:
[0008]6)清洗衬底并吹干；
[0009]7)采用氩离子对经步骤一处理过的衬底表面进行轰击；
[0010]8)在衬底表面镀上金属锌薄膜；
[0011]9)将镀有金属锌薄膜的样品放入用于加热的有氧气氛中，以一定的速率升温到设定温度；
[0012]10)保温一段时间后自然降至室温。
[0013]进一步地，所述步骤2的离子轰击在步骤3之前进行或与步骤3同时进行。
[0014]进一步地，所述步骤I的衬底包括硅片、玻璃、ITO玻璃、金属或陶瓷衬底。
[0015]进一步地，所述步骤2中的离子轰击时间为O?60分钟。
[0016]进一步地，所述步骤3采用真空镀膜方法在衬底表面镀上金属锌薄膜，所述真空镀膜方法包括电子束蒸发、热蒸发或者磁控溅射。
[0017]进一步地，所述金属锌薄膜的厚度为0.3?10微米。
[0018]进一步地，所述步骤4采用箱式炉、管式炉或者热板作为加热腔体。
[0019]进一步地，所述步骤2中进行氩离子轰击时，氩气气流量为6sCCm，加速电压为215V，离子束流为50mA。
[0020]进一步地，所述步骤4中的升温速率为0.5 0C /min?50 °C /min,设定温度为350 cC ?600。。。
[0021 ] 进一步地，所述步骤5中的保温时间为10?300分钟。
[0022]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0023]本发明调控不同形貌的枝状和线状氧化锌纳米结构的方法，无需复杂的微加工工艺，制作方法简便，控制离子轰击的时间和功率等参数就可以有效调控样品的形貌，可控性好。本发明使用简单的离子轰击技术就可以实现枝状和线状氧化锌纳米结构的制备，方法简单。本发明制备的氧化锌纳米结构可以应用于大面积场发射冷阴极电子源，也可以应用于气敏、催化、微电子器件、光电转换器件和电化学器件等领域。
【附图说明】
[0024]图1a至图1d显示了在硅片衬底上制备氧化锌纳米结构的工艺步骤；
[0025]图2是用于加热镀有金属锌薄膜的样品的加热装置结构示意图；
[0026]图3 (a)是硅片衬底受离子轰击时间为O分钟时，热氧化得到的氧化锌纳米结构的SEM形貌图；
[0027]图3 (b)是硅片衬底受离子轰击时间为15分钟时，热氧化得到的氧化锌纳米结构的SEM形貌图；
[0028]图3 (C)是硅片衬底受离子轰击时间为45分钟时，热氧化得到的氧化锌纳米结构的SEM形貌图；
[0029]图3 (d)是硅片衬底受离子轰击时间为60分钟时，热氧化得到的氧化锌纳米结构的SEM形貌图；
[0030]图4 (a)是单个枝状氧化锌纳米结构的SEM形貌图；
[0031]图4 (b)是单个线状氧化锌纳米结构的SEM形貌图；
[0032]图5是枝状氧化锌纳米结构的场发射电流密度-电场(J-E)曲线图；
[0033]图6是枝状和线状混合的氧化锌纳米结构的场发射电流密度-电场(J-E)曲线图；
[0034]图7是线状氧化锌纳米结构的场发射电流密度-电场(J-E)曲线图。
[0035]图中:1.硅片衬底；2.离子轰击；3.金属锌薄膜；4.氧化锌纳米结构；5.石英管；6.加热板-J.石英板。
【具体实施方式】
[0036]为了更清楚地给出利用离子轰击技术调控枝状和线状氧化锌纳米结构形貌的方法，图1a?图1d给出了在硅片衬底上制备氧化锌纳米结构的工艺步骤示意图。
[0037]本发明的一种可调控结构形貌的氧化锌纳米结构制备方法，包括以下工艺步骤:
(I)清洗硅片衬底I并吹干或烘干，处理后的硅片衬底I如图1a所示。衬底可以是硅片衬底，也可以使玻璃、ITO玻璃、金