ZnO、ZnO:Al及ZnO:（Al，N）納米棒的制備工藝研究

何翔（江漢大學高分子材料與工程系，湖北 武漢 430056）

ZnO、ZnO:Al及ZnO:（Al，N）納米棒的制備工藝研究

何翔（江漢大學高分子材料與工程系，湖北 武漢 430056）

ZnO是Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導體材料，屬六方纖鋅礦結構。ZnO晶胞中，四配位的O2-和Zn2+組成的交替平面沿著c軸堆積，使得ZnO具有良好的壓電特性和熱電特性。ZnO的禁帶寬度在室溫下為3.37eV，適合作為短波長的光電器件材料。激子束縛能為60meV，可以實現(xiàn)室溫下的激子受激發(fā)光。通過摻雜的ZnO薄膜既具有良好的導電性，在可見光區(qū)域又有很高的透射率，可以在太陽能電池中用作窗口材料和透明電極。尤其ZnO的納米結構在制備光電子器件方面有很好的應用價值，且制備工藝簡單，原料豐富無毒。因此ZnO是一種具有重要研究價值的材料。制備薄膜的方法有多種，常用的有溶膠—凝膠法、激光脈沖沉積法、水熱法、化學氣相沉積法和磁控濺射法等。其中基于溶液的溶膠—凝膠法、水熱法的薄膜制備方法具有操作簡單、不需要貴重儀器、價格優(yōu)廉的優(yōu)點[1]。

ZnO納米棒；水熱法；制備工藝

1 水熱法基本原理

水熱法在高壓釜中進行。首先前驅(qū)體溶解在水熱介質(zhì)（通常是水）里面，轉變?yōu)榉肿訄F或者離子的形式，高壓釜的上下部分因高溫而產(chǎn)生壓力差和溫度差，驅(qū)動高壓釜里的溶液發(fā)生強對流，前驅(qū)物中的分子或離子在溶液強對流的帶動下在低溫區(qū)使溶液呈過飽和狀態(tài)，結晶出微納晶并生長。

ZnO由于其自身以及摻雜改性后的各種優(yōu)勢在許多領域中有重要應用。因未摻雜的ZnO存在Vo和Zni等點缺陷，呈現(xiàn)n型導電。通過Al，Ga，In等施主元素的摻入可以較容易控制載流子濃度。緒論中對共摻雜技術有所說明，采用施主(如Al)和受主N一起摻入ZnO中，可使ZnO中N的溶解度增大，形成更靠近價帶的受主能級。

Vayssieres首先在合成納米ZnO中引入水熱法，前驅(qū)體溶液采用HMT和Zn(NO3)2。其機理是基于異質(zhì)成核和隨后特定表面上晶粒的生長。在ZnO的形成過程中，Zn2+和OH?分別由硝酸鋅和HMT電離和水解產(chǎn)生，電離及水解過程按以下方程式進行：

Zn2+易于和OH?形成更可溶的Zn(OH)2，作為ZnO納米結構的生長基元，最后Zn(OH)2中沉淀出ZnO：

當ZnO的濃度達到超飽和濃度后，ZnO晶核形成并按照ZnO晶體的結晶習性生長，不同晶面的生長速率不同造成六角形狀的ZnO棒狀晶體形成。對于ZnO來說，生長速度最快的是沿＜0001＞方向，＜1001＞方向次之，沿＜1000＞方向最慢，因此易于獲得納米棒和納米線型結構。通過改變生長條件，調(diào)節(jié)晶面的相對生長，能控制ZnO納米棒的尺寸和形貌。反應中HMT分解產(chǎn)生的氨相當于礦化劑，鋅離子以及氨水水解產(chǎn)生的氫氧根離子決定了ZnO生長過程[2]。

2 ZnO、ZnO:Al及ZnO:（Al，N）納米棒的制備工藝

首先制備ZnO納米棒，實驗對比了有GO薄膜種子層和沒有種子層的情況，獲得了制備ZnO納米棒的優(yōu)化的水熱工藝參數(shù)。

接著制備AZO納米棒。

最后，研究三種不同的水熱反應工藝制備Al-N共摻雜的ZnO納米棒陣列：

(1)是在GO種子層上采用Al源和N源同時摻雜的單步水熱工藝；

(2)是先在GO種子層上采用Al源水熱摻雜，然后采用N源水熱擴散摻雜的兩步水熱工藝；

(3)先在GO種子層上水熱摻雜獲得ZnO:Al納米棒，后采用N源水熱擴散2的兩步水熱工藝。

具體工藝過程如下：

2.1 基片清洗

制備ZnO納米棒陣列前，為了去除基片表面粘附的油性、酸性及堿性離子雜質(zhì)或有機物雜質(zhì)，需要對基片進行清洗。本實驗中使用的基片為普通玻璃和ITO玻璃片，經(jīng)過在丙酮，酒精和去離子水中分別超聲15分鐘，去除載玻片上的油性物質(zhì)、酸性物質(zhì)、堿性物質(zhì)等，經(jīng)干燥后密封保存。

2.2 種子層的制備

2.3 ZnO納米棒的制備工藝

如圖1，將一定量的醋酸鋅，六次甲基四胺和聚乙二醇溶于一定量的去離子水中，分別配比成0.05mol/L，0.05mol/L和0.05mol/L的溶液。然后在標記為1號和2號的80ml燒杯分別依次加入聚乙二醇1ml，六次甲基四胺10ml，醋酸鋅10ml，最后再分別加入去離子水10ml，磁力攪拌15分鐘。攪拌后分別放入對應的50ml水熱反應釜中，分別放入清潔過的普通玻璃片和濺射了ZnO種子層的玻璃片，將反應釜擰緊放入烘箱中，在95℃下保溫8h進行水熱反應。反應完成后冷卻至室溫，將樣品用去離子水進行5分鐘清洗，在烘箱中80℃干燥6h。

2.4 ZnO:Al納米棒的制備工藝

將一定量的醋酸鋅，硝酸鋁，六次甲基四胺和聚乙二醇溶于一定量的去離子水中，分別配比成0.05mol/L，0.05mol/L，0.05mol/L和0.05mol/L的溶液。然后在標記為1號和2號的80ml燒杯分別依次加入聚乙二醇1ml，六次甲基四胺10ml，醋酸鋅10ml，不等量的硝酸鋁，最后再分別加入去離子水10ml，磁力攪拌15分鐘。攪拌后分別放入對應的50ml水熱反應釜中，放入濺射了種子層的玻璃片，將反應釜擰緊放入烘箱中，在95℃下保溫8h進行水熱反應。反應完成后冷卻至室溫，將樣品用去離子水進行5分鐘清洗，在烘箱中80℃干燥6h。

何翔（1994-)，江漢大學高分子材料與工程系2013級本科學生