专利名称：一种ZnO三维同质pn结纳米阵列及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种ZnO三维同质pn结纳米阵列及其制备方法，特别涉及通过垂直的一维ZnO纳米棒阵列采用扩散法形成P型ZnO纳米阵列作为三维结构的主干，然后用水热法在主干上形成树枝状径向分布的η型ZnO纳米结构的同质结器件，属于半导体器件技术领域。
背景技术：
ZnO作为一种典型的宽禁带半导体材料，室温下具有高达60 meV的激子束缚能， 在室温下易实现高效率的发光，因此近年来成为发光二极管和紫外激光器等的热门材料， 具有很好的应用潜力。同时ZnO纳米材料作为最优异的半导体纳米材料之一，在光学、电输运、压电、光电、场发射、光催化、稀磁等性能上具有显著特点，因此在纳米电子器件上的应用也成为全世界的研究重点。要解决ZnO在光电方面的应用，首先需要制备各种类型的同质或者异质结。相比异质结，ZnO同质结具有晶格失配小、器件效率更高等优点。目前报道的ZnO纳米结构丰富多彩，主要集中在一维垂直阵列的研究方面，而三维ZnO纳米材料由于其具有更大的比表面积，近年来得到越来越多的关注。关于ZnO三维同质pn结纳米阵列目前还未有报道，因此本发明具有很高的研究价值和科学意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种ZnO三维同质pn结纳米阵列及其制备方法。本发明的ZnO三维同质pn结纳米阵列，其主干为垂直于衬底的一维P型ZnO纳米线，分支为径向分布的η型ZnO纳米棒。ZnO三维同质pn结纳米阵列的制备方法,包括以下步骤
I)将纯ZnO粉末和纯石墨粉按质量比2:1放入石英U型管中，将长有ZnO籽晶层的衬底放入U型管口一侧，生长室真空度至少抽至10 Pa，衬底加热升温到90(T95(rC，生长室通入纯氮气和纯氧气，氮气流量为90 99 sccm，氧气流量为I 10 sccm，控制压强为1000 1300 Pa,生长一维直立的ZnO纳米线阵列。2)将上述长有一维直立的ZnO纳米线阵列的衬底放入石英舟内，覆盖在P型扩散源上，将石英舟放入生长室，升温至60(T80(TC，真空抽至10 pa，通入纯氧气，流量为100 sccm,控制压强为200(Γ5000 Pa，保温2 3小时，形成垂直于衬底的一维P型ZnO纳米线阵列。3)将浓度为O. 5"! mg/ml的ZnO纳米晶氯仿溶液滴在上述一维p型ZnO纳米线阵列上，升温至20(T300°C保持1(Γ50分钟，然后将衬底面朝下放置在浓度均为O. 0Γ0. 025 mol/L的六亚甲基四氨和二水硝酸锌混合溶液的聚四氟乙烯内胆内，加热到8(T10(TC保温 5^20小时,得到主干为一维P型ZnO纳米线,分支为径向分布的η型ZnO纳米棒的ZnO三维同质pn结纳米阵列。上述的衬底可以是单晶硅片，蓝宝石或者石英。所述的P型扩散源可以是GaAs或 PA。本发明中ZnO，石墨，氮气，氧气的纯度均大于99. 99%。本发明的有益效果在于
1.设备简单，原料便宜，无需用到高真空的昂贵设备；
2.通过调整步骤I)的气相生长温度和步骤3)液相法的溶液浓度可以改变ZnO三维同质pn结垂直纳米阵列主干和分支的尺寸和密度；
3.该种ZnO三维同质pn结纳米阵列可广泛应用于纳米光电、光催化和能量转换器件等领域。
图I是本发明的三维ZnO同质pn结纳米阵列的扫描电镜俯视图。图2是本发明的三维ZnO同质pn结纳米阵列的扫描电镜断面图。图3是本发明的主干较为稀疏、分支较短的三维ZnO同质pn结纳米阵列的扫描电镜俯视图。
具体实施例方式以下结合图例，通过实例对本发明制备ZnO三维同质pn结垂直纳米阵列作进一步的说明。实施例I :以单晶娃片为衬底制备ZnO三维同质pn结纳米阵列，具体步骤如下
I)将纯度为99. 999%Zn0粉末和纯度为99. 999%石墨粉按质量比2:1放入石英U型管
中，将长有ZnO籽晶层的衬底放入U型管口一侧，生长室真空度至少抽至10 Pa，衬底加热升温到950°C，生长室通入纯氮气(纯度>99. 99% )和纯氧气(纯度>99. 99% )，氮气流量为99 sccm,氧气流量为I sccm,控制压强为1300 Pa,生长时间为30 min,形成一维直立的 ZnO纳米线阵列。2 )将上述长有一维直立的ZnO纳米线阵列的衬底放入石英舟内，覆盖在GaAs扩散源上，将石英舟放入生长室，升温至600°C，真空抽至10 pa，通入纯氧气，流量为100 sccm, 控制压强为5000 Pa，保温2小时，形成垂直于衬底的一维P型ZnO纳米线阵列。3)将浓度为I mg/ml的ZnO纳米晶氯仿溶液滴在上述一维p型ZnO纳米线阵列上，升温至250°C保持30分钟，然后将衬底面朝下放置在浓度均为O. 025 mol/L的六亚甲基四氨和二水硝酸锌混合溶液的聚四氟乙烯内胆内，加热到95°C保温12小时，得到主干为一维P型ZnO纳米线,分支为径向分布的η型ZnO纳米棒的ZnO三维同质pn结纳米阵列，如图I和图2所示。实施例2 :以石英为衬底制备ZnO三维同质pn结纳米阵列，具体步骤如下
I)将纯度为99. 999%的ZnO粉末和纯度为99. 999%的石墨粉按质量比2:1放入石英U 型管中，将长有ZnO籽晶层的衬底放入U型管口一侧，生长室真空度至少抽至10 Pa，衬底加热升温到900°C，生长室通入纯氮气和纯氧气，氮气流量为99 sccm，氧气流量为I sccm，控制压强为1200 Pa，生长时间为30 min，形成一维直立的ZnO纳米线阵列。
2)将上述长有一维直立的ZnO纳米线阵列的衬底放入石英舟内，覆盖在GaAs扩散源上，将石英舟放入生长室，升温至600°C，真空抽至10 pa，通入纯氧气，流量为100 sccm, 控制压强为3000 Pa，保温2小时，形成垂直于衬底的一维P型ZnO纳米线阵列。3)将浓度为I mg/ml的ZnO纳米晶氯仿溶液滴在上述一维p型ZnO纳米线阵列上，升温至250°C保持30分钟，然后将衬底面朝下放置在浓度均为O. 01 mol/L的六亚甲基四氨和二水硝酸锌混合溶液的聚四氟乙烯内胆内，加热到90°C保温20小时，得到主干较为稀疏，分支较短的ZnO三维同质pn结纳米阵列，如图3所示。实施例3 以蓝宝石为衬底制备ZnO三维同质pn结纳米阵列，具体步骤如下
I)将纯度为99. 999%的ZnO粉末和纯度为99. 999%的石墨粉按质量比2:1放入石英U 型管中，将长有ZnO籽晶层的衬底放入U型管口一侧，生长室真空度至少抽至10 Pa，衬底加热升温到950°C，生长室通入纯氮气和纯氧气，氮气流量为90 sccm，氧气流量为10 sccm，控制压强为1000 Pa，生长时间为30 min，形成一维直立的ZnO纳米线阵列。2)将上述长有一维直立的ZnO纳米线阵列的衬底放入石英舟内，覆盖在P2O5扩散源上，将石英舟放入生长室，升温至800°C，真空抽至10 pa，通入纯氧气，流量为100 sccm, 控制压强为2000 Pa，保温3小时，形成垂直于衬底的一维P型ZnO纳米线阵列。3)将浓度为I mg/ml的ZnO纳米晶氯仿溶液滴在上述一维p型ZnO纳米线阵列上，升温至200°C保持50分钟，然后将衬底面朝下放置在浓度均为O. 025 mol/L的六亚甲基四氨和二水硝酸锌混合溶液的聚四氟乙烯内胆内，加热到95°C保温12小时，得到主干为一维P型ZnO纳米线,分支为径向分布的η型ZnO纳米棒的ZnO三维同质pn结纳米阵列。
权利要求
1.一种ZnO三维同质pn结纳米阵列，其特征是该阵列的主干为垂直于衬底的一维P型 ZnO纳米线,分支为径向分布的η型ZnO纳米棒。
2.制备权利要求I所述的ZnO三维同质pn结纳米阵列的方法，其特征在于包括以下步骤1)将纯ZnO粉末和纯石墨粉按质量比2:1放入石英U型管中，将长有ZnO籽晶层的衬底放入U型管口一侧，生长室真空度至少抽至10 Pa，衬底加热升温到90(T95(rC，生长室通入纯氮气和纯氧气，氮气流量为90 99 sccm，氧气流量为I 10 sccm，控制压强为1000 1300 Pa,生长一维直立的ZnO纳米线阵列；2)将上述长有一维直立的ZnO纳米线阵列的衬底放入石英舟内，覆盖在P型扩散源上， 将石英舟放入生长室，升温至60(T800°C，真空抽至10 pa，通入纯氧气，流量为100 sccm，控制压强为200(Γ5000 Pa，保温2 3小时，形成垂直于衬底的一维P型ZnO纳米线阵列；3)将浓度为O.5"! mg/ml的ZnO纳米晶氯仿溶液滴在上述一维p型ZnO纳米线阵列上, 升温至20(T3(KrC保持1(Γ50分钟，然后将衬底面朝下放置在浓度均为O. 0Γ0. 025 mol/ L的六亚甲基四氨和二水硝酸锌混合溶液的聚四氟乙烯内胆内，加热到8(Γ100 保温5 20 小时，得到主干为一维P型ZnO纳米线,分支为径向分布的η型ZnO纳米棒的ZnO三维同质 pn结纳米阵列。
3.按权利要求2所述的ZnO三维同质pn结纳米阵列的制备方法，其特征在于所述的衬底是单晶硅片，蓝宝石或者石英。
4.按权利要求2所述的ZnO三维同质pn结纳米阵列的制备方法,其特征在于所述的p 型扩散源是GaAs或P2O5。
全文摘要
本发明涉及ZnO三维同质pn结纳米阵列及其制备方法，该阵列的主干为垂直于衬底的一维p型ZnO纳米线，分支为径向分布的n型ZnO纳米棒。制备方法包括利用气相法在衬底上制备一维直立的ZnO纳米线阵列，通过扩散法把上述阵列转变为一维p型ZnO纳米线阵列，最后通过水热法在p型ZnO纳米阵列上生长径向分布的n型ZnO纳米棒。本发明方法简单易行，重复性高，可通过控制气相反应生长温度和液相溶液浓度来分别调节三维ZnO纳米同质pn结阵列主干和分支的长度和密度，可广泛应用于纳米光电、光催化和能量转换器件等领域。
文档编号B82Y40/00GK102583227SQ201210064478
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者叶志镇, 吕建国, 张宏海, 杨晓朋, 胡亮, 黄 俊 申请人:浙江大学