專利名稱：一種錐形氧化鋅亞微米棒及其陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種亞微米棒氧化鋅材料的制備方法，特別是涉及一種采用高溫氣相蒸鍍法制備具有亞微米尺寸的六方錐形的氧化鋅亞微米棒的方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅(ZnO)是一種重要的II-IV族直接寬帶隙半導(dǎo)體材料(其禁帶寬度為3. 37eV)，在室溫下具有較大的激子束縛能(60meV)，能在室溫及更高溫度下受激產(chǎn)生近紫外的短波長(zhǎng)光。自從1997年觀測(cè)到其納米微晶結(jié)構(gòu)的薄膜在室溫下光泵受激紫外發(fā)射后，己經(jīng)迅速成為短波半導(dǎo)體激光發(fā)射材料研究的國(guó)際熱點(diǎn)。與普通ZnO相比，亞微米ZnO展現(xiàn)出許多優(yōu)異和特殊的性能，如在壓電性能、近紫外發(fā)射、透明導(dǎo)電性、生物安全性和適應(yīng)性等，使得其在壓電材料、紫外光探測(cè)器、場(chǎng)效應(yīng)管、表面聲波、太陽能電池、氣體傳感器、生物傳感器等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。氧化鋅又是一種同時(shí)具有半導(dǎo)體和壓電雙重性質(zhì)的功能材料，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和化學(xué)穩(wěn)定性。在所有的材料中，氧化鋅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是最豐富的，其豐富的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)使得氧化鋅在光學(xué)、光電、傳導(dǎo)、傳感、以及生物等不同領(lǐng)域有許多潛在的應(yīng)用，如光子晶體、光發(fā)射二極管、光探測(cè)器、光敏二極管、氣體傳感器、太陽能電池、光電器件、傳感器和光催化等。到目前，氧化鋅亞微米棒、納米管、納米環(huán)以及海膽狀、骨狀、羽毛狀形貌和結(jié)構(gòu)等已經(jīng)通過溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)沉積法等多種方法成功制備。當(dāng)前，尋求氧化鋅的新結(jié)構(gòu)、新性質(zhì)和新的應(yīng)用領(lǐng)域己成為材料研究重點(diǎn)之一。尤其，一維氧化鋅微/納結(jié)構(gòu)己經(jīng)吸引了更多人的關(guān)注，主要是因?yàn)槠湔宫F(xiàn)出來的近紫外發(fā)射，光透性，電導(dǎo)性，壓電性等。此外，一維氧化鋅微\納米棒陣列己經(jīng)成為傳感器，場(chǎng)發(fā)射，太陽能電池和表面聲波導(dǎo)等應(yīng)用方面的重要選擇，這也激發(fā)了許多人利用多種方法制備一維氧化鋅微、納米結(jié)構(gòu)的興趣。目前，人們雖然已能夠合成具有不同形狀的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)以及氧化鋅亞微米棒聚集體，但是，所使用的方法局限于化學(xué)和物理氣相沉積，這種方法很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。即便有一些研究者利用化學(xué)方法制備了氧化鋅亞微米棒的聚集體，但是所獲得的結(jié)構(gòu)和亞微米線的尺寸很難控制。此外，可工業(yè)化量產(chǎn)級(jí)別的氧化鋅亞微米棒的控制制備也沒有很好的解決辦法。由于錐形氧化鋅亞微米棒可以作為一種高效的壓電發(fā)電材料，因此與其相關(guān)的合成方法的開發(fā)正在成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的濕化學(xué)合成方法很難對(duì)錐形形貌進(jìn)行控制。目前迫切需要一種簡(jiǎn)單的合成錐形氧化鋅亞微米棒的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本文中所使用的術(shù)語，除非另外指出，是根據(jù)其常規(guī)的用法來使用如本文所使用的，術(shù)語“亞微米”是指尺寸為100nm-50 μ m ；如本文所使用的，術(shù)語“六方錐形”是指類似于六棱柱形狀，上下頂面平行，六條側(cè)棱的延長(zhǎng)線可以匯聚一點(diǎn)，六個(gè)側(cè)面也不平行的形狀；如本文所使用的，術(shù)語“高純”是指物質(zhì)的純度在99. 999%以上。以下實(shí)驗(yàn)用的氣體都是高純氣體。本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)單的合成錐形氧化鋅亞微米棒的方法，在高溫反應(yīng)中調(diào)節(jié)通入氧氣的進(jìn)氣速率，將會(huì)產(chǎn)生一種六方錐形的氧化鋅亞微米棒，所制備的氧化鋅亞微米棒的表面無表面活性劑包裹，該制備方法通過控制反應(yīng)條件，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)氧化鋅亞微米棒直徑和長(zhǎng)度的可控調(diào)節(jié)。例如，在不同的進(jìn)氣速率改變的條件下，單根六方錐形氧化鋅亞微米棒的兩端的直徑在1-2微米和5-10微米，長(zhǎng)度在30微米-50微米范圍。一方面，本發(fā)明提供了一種制備六方錐形氧化鋅亞微米棒或其陣列的方法，所述方法包括以下步驟I)稱取氧化鋅和碳粉，將其混合形成反應(yīng)物，放入容器中；2)將硅片洗凈，并放置在步驟I)所述容器的上方，所述硅片與所述容器之間的距離為1-8毫米；3)將步驟I)中的容器和步驟2)中的硅片放入反應(yīng)爐內(nèi)，并且使硅片所處位置位于反應(yīng)爐的正中心；4)抽真空，使反應(yīng)爐以10-20°C /min升溫，同時(shí)以50_150sccm的量來通入氮?dú)?，反?yīng)需要40-60min并升溫至950_1050°C，且升溫過程中保持壓強(qiáng)在l_12kPa (10-120mbar)；5)當(dāng)溫度達(dá)到950_1050°C，停止通入氮?dú)?，?0-100sccm的量通入氧氣，通入時(shí)間為20-40min，并且在通入的過程中使氧氣的通入量以l-5sCCm下降或上升，待反應(yīng)結(jié)束后停止通入氧氣，自然冷卻，即得六方錐形氧化鋅亞微米棒或其陣列。優(yōu)選地，在所述方法的步驟5)中，所述溫度達(dá)到960_980°C，優(yōu)選為980°C。優(yōu)選地,在所述方法的步驟5)中，所述氧氣以20_60sccm,優(yōu)選60sccm的量通入，通入時(shí)間為20-60min，優(yōu)選為30min。優(yōu)選地,在所述方法的步驟5)中，所述氧氣的通入量以l_2sccm/min下降或上升。優(yōu)選地，在所述方法的步驟4)中，所述反應(yīng)爐以10_15°C /min升溫，同時(shí)以50-100sccm的量來通入氮?dú)?，反?yīng)需要50min并升溫至960_980°C，且升溫過程中保持壓強(qiáng)在 5-10kPa(50-100mbar)。優(yōu)選地，在所述方法的步驟4)中，所述反應(yīng)爐以15°C/min升溫，同時(shí)以IOOsccm的量來通入氮?dú)?，反?yīng)需要50min升溫至980°C且升溫過程中保持壓強(qiáng)在5-10kPa(50-100mbar)。優(yōu)選地，在所述方法的步驟2)中，所述硅片與所述容器之間的距離為1-5毫米，并且所述硅片的取向?yàn)?111)、(100)或(001)。優(yōu)選地，在所述方法的步驟I)中，所述氧化鋅和所述碳粉的純度為分析純，并且所述氧化鋅和所述碳粉的質(zhì)量比為1-4 1，優(yōu)選為2 I。優(yōu)選地，在所述方法的步驟3)中，所述反應(yīng)爐為水平氣相管式反應(yīng)爐。優(yōu)選地，在所述方法的步驟I)中，所述容器為石英舟，所述石英舟的長(zhǎng)度為10cm，寬度為Icm,并且深度為1cm。優(yōu)選地,所述氧氣和氮?dú)饩鶠楦呒兊?。另一方面，本發(fā)明提供了一種由根據(jù)本發(fā)明所述方法制備的六方錐形氧化鋅亞微米棒，所述六方錐形氧化鋅亞微米棒的直徑1-10微米，長(zhǎng)度為30-50微米。在本發(fā)明一個(gè)具體的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供的制備六方錐形氧化鋅亞微米棒的制備方法，是利用氧化鋅粉末和碳粉作為反應(yīng)物，采用氣相蒸鍍法方法，具體包括以下步驟I)首先稱取反應(yīng)物，分別取氧化鋅和碳粉，在天平上稱取一定質(zhì)量比的氧化鋅和碳粉，然后混合均勻，放入石英舟內(nèi)。質(zhì)量比為(2 : 1，1 1,4 I)2)然后將硅片用標(biāo)準(zhǔn)清洗方法清洗干凈，切一塊下來，放置在石英舟上方，硅片與石英舟中的反應(yīng)物保持1-5毫米的距離。3)將I)和2)中的裝置放入水平氣相管式爐內(nèi)，并且讓硅片所處位置位于反應(yīng)爐的正中心，4)抽真空，同時(shí)開啟反應(yīng)爐開啟程序，讓反應(yīng)爐以10_15°C /min升溫，同時(shí)開始通入氮?dú)狻Ｍㄈ氲牧繛?0-100sccm，反應(yīng)大概需要50min升溫到960_980°C，升溫過程維持壓強(qiáng)大概維持在 5k-10kPa(50-100mbar).5)當(dāng)反應(yīng)到達(dá)960_980°C，停止通入氮?dú)?，通入氧氣，通入量?0_60sccm，通入時(shí)間為20-60min,并且在通入過程讓氧氣通入量以l_2sccm/min下降(上升),反應(yīng)結(jié)束后停止通入氧氣。待反應(yīng)爐自然冷卻。取出基底，用SEM觀察其形貌。在該方法中所用的氧化鋅為分析純。在該方法中，所用的石英舟長(zhǎng)度約為10cm，寬度約為1cm，舟深約為1cm。在該方法中，所用的硅片為取向?yàn)?111) (100) (001)面的硅片，可以是雙面的，也可以是單面的。所獲氧化鋅亞微米棒陣列的形貌和結(jié)構(gòu)方面的信息可通過掃描電子顯微鏡(SEM)獲得。其樣品在n-Si(lll)基片上。通過X射線粉末衍射(XRD)，可獲得產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)方面的信息。一般情況下，氧化鋅晶體的形成由還原和氧化兩個(gè)步驟構(gòu)成。在氣相蒸鍍法中，氧化鋅先與碳粉反應(yīng)生成鋅蒸氣，然后鋅蒸氣在高溫下與通入的氧氣反應(yīng)，在硅基底上沉積，并且生長(zhǎng)，由于通入氧氣的量變化，它的生長(zhǎng)將趨向緩慢(加快)，就可以得到六方錐形的氧化鋅亞微米棒。由ZnO和C粉在高溫下反應(yīng)遵循以下反應(yīng)化學(xué)方程式ZnO+C — Zn+C0Zn+02 — ZnO總的來說，在氣相蒸鍍法合成中影響材料形貌、大小、結(jié)構(gòu)的因素主要有溫度、氧化鋅和碳粉的比例，反應(yīng)源于基底的距離、保溫時(shí)間等。反應(yīng)溫度提供合成材料的原動(dòng)力，因此制ZnO亞微米材料需要提供一定的溫度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于I.本發(fā)明所用的原料在市場(chǎng)上都可以買到，價(jià)錢低廉；2.該方法工藝簡(jiǎn)單、安全、通用性、可操作性強(qiáng)；并能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)；3.該方法所制備的具有亞微米級(jí)尺度的氧化鋅亞微米棒材料用途廣泛，作為聯(lián)系宏觀物體及微觀粒子的橋梁，亞微米ZnO粒子在化學(xué)、物理學(xué)、光電學(xué)、磁性、敏感性等方面具有一般ZnO產(chǎn)品無法比擬的特殊性能和新用途。其發(fā)光性質(zhì)及電子輻射穩(wěn)定性使其成為一種很好的單色場(chǎng)發(fā)射低壓平面顯示器材料，并在紫外光二極管、激光器等發(fā)光器件領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景；作為一種壓電材料，ZnO還可在大容量、高速率光纖通信的光纖相位調(diào)制、反雷達(dá)動(dòng)態(tài)測(cè)頻、電子偵聽、衛(wèi)星移動(dòng)通信、并行光信息處理等民用及軍事領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用；ZnO對(duì)還原性、氧化性氣體具有敏感性，經(jīng)過某些元素的摻雜之后，對(duì)有害氣體、可燃?xì)怏w、有機(jī)蒸汽等具有良好的敏感性。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖I為一個(gè)六方錐形氧化鋅亞微米棒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖I (a)為實(shí)施例I的一個(gè)六方錐形氧化鋅亞微米棒的SEM示意圖；圖I (b)為實(shí)施例2的一個(gè)六方錐形氧化鋅亞微米棒的SEM示意圖；圖2 (a)為實(shí)施例I的大面積六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列的SEM示意2 (b)為實(shí)施例2的大面積六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列的SEM示意2 (C)為實(shí)施例3的大面積六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列的SEM示意2 (d)為實(shí)施例4的大面積六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列的SEM示意3為六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列的XRD物相組成圖；圖4為單個(gè)六方錐形氧化鋅亞微米棒發(fā)電示意圖，其中A為基板、B為六方錐形亞微米氧化鋅棒、F為外加力和C為靈敏電流表；圖5為單個(gè)六方錐形氧化鋅亞微米棒發(fā)電信號(hào)電壓電流采集圖。
具體實(shí)施例方式以下參照具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的目的，其不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例I本實(shí)施例采用本發(fā)明的方法制備六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列，該陣列上單根氧化鋅亞微米棒的直徑1-2微米和5-10微米左右，長(zhǎng)度在30-50微米左右的范圍。具體制備過程包括以下步驟I)首先稱取反應(yīng)物，分別取氧化鋅和碳粉，在天平上稱取O. 5g氧化鋅粉末，稱取0.25g碳粉末。然后混合均勻，放入石英舟內(nèi)；2)然后將硅片用標(biāo)準(zhǔn)清洗方法清洗干凈，切一塊下來，大小約為IcmX 2cm，水平放置在石英舟上方，硅片與石英舟中的反應(yīng)物保持2. 5毫米的距離；3)將I)和2)中的裝置放入水平氣相管式爐內(nèi)，并且讓硅片所處位置位于反應(yīng)爐的正中心；4)抽真空，同時(shí)開啟反應(yīng)爐開啟程序，讓反應(yīng)爐以15°C /min升溫，同時(shí)開始通入氮?dú)?。通入的量為lOOsccm，反應(yīng)大概需要50min升溫到960°C，升溫過程維持壓強(qiáng)大概在8kPa(80mbar)；5)當(dāng)反應(yīng)到達(dá)960°C,停止通入氮?dú)?，通入氧氣，通入量?0sccm,通入時(shí)間為30min,并且在通入過程讓氧氣通入量以2sccm/min下降,反應(yīng)結(jié)束后停止通入氧氣。待反應(yīng)爐自然冷卻。取出基底，用SEM(掃描電子顯微鏡S4800)觀察其形貌，見圖1(a)和圖2 (a)。實(shí)施例2本實(shí)施例采用本發(fā)明的方法制備六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列，該陣列上單根氧化鋅亞微米棒的直徑1-2微米和5-10微米左右，長(zhǎng)度在30微米左右的范圍。具體制備過程包括以下步驟I)首先稱取反應(yīng)物，分別取氧化鋅和碳粉，在天平上稱取O. 5g氧化鋅粉末，稱取0.25g碳粉末。然后混合均勻，放入石英舟內(nèi)；2)然后將硅片用標(biāo)準(zhǔn)清洗方法清洗干凈，切一塊下來，大小約為IcmX 2cm，水平放置在石英舟上方，硅片與石英舟中的反應(yīng)物保持2. 5毫米的距離；3)將I)和2)中的裝置放入水平氣相管式爐內(nèi)，并且讓硅片所處位置位于反應(yīng)爐的正中心；4)抽真空，同時(shí)開啟反應(yīng)爐開啟程序，讓反應(yīng)爐以10°C /min升溫，同時(shí)開始通入氮?dú)?。通入的量為lOOsccm，反應(yīng)大概需要50min升溫到980°C，升溫過程維持壓強(qiáng)大概在8kPa(80mbar)；5)當(dāng)反應(yīng)到達(dá)980°C,停止通入氮?dú)?，通入氧氣，通入量?0sccm,通入時(shí)間為30min,并且在通入過程讓氧氣通入量以2sccm/min上升,反應(yīng)結(jié)束后停止通入氧氣。待反應(yīng)爐自然冷卻。取出基底，用SEM(掃描電子顯微鏡S4800)觀察其形貌，見圖1(b)和圖2(b)。實(shí)施例3本實(shí)施例采用本發(fā)明的方法制備六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列，該陣列上單根氧化鋅亞微米棒的直徑1-2微米和5-10微米左右，長(zhǎng)度在30微米左右的范圍。具體制備過程包括以下步驟I)首先稱取反應(yīng)物，分別取氧化鋅和碳粉，在天平上稱取O. 4g氧化鋅粉末，稱取
0.2g碳粉末。然后混合均勻，放入石英舟內(nèi)；2)然后將硅片用標(biāo)準(zhǔn)清洗方法清洗干凈，切一塊下來，大小約為2cmX2cm，水平放置在石英舟上方，硅片與石英舟中的反應(yīng)物保持2毫米的距離；3)將I)和2)中的裝置放入水平氣相管式爐內(nèi)，并且讓硅片所處位置位于反應(yīng)爐的正中心；4)抽真空，同時(shí)開啟反應(yīng)爐開啟程序，讓反應(yīng)爐以15°C /min升溫，同時(shí)開始通入氮?dú)?。通入的量為lOOsccm，反應(yīng)大概需要50min升溫到980°C，升溫過程維持壓強(qiáng)大概在8kPa(80mbar)；5)當(dāng)反應(yīng)到達(dá)980°C,停止通入氮?dú)?，通入氧氣，通入量?0sccm,通入時(shí)間為30min,并且在通入過程讓氧氣通入量以2sccm/min下降,反應(yīng)結(jié)束后停止通入氧氣。待反應(yīng)爐自然冷卻。取出基底，用SEM觀察其形貌，見圖2(c)。用型號(hào)為Rigaku ZSX Primus II進(jìn)行X射線衍射，其XRD圖像見圖3。實(shí)施例4本實(shí)施例采用本發(fā)明的方法制備六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列，該陣列上單根氧化鋅亞微米棒的直徑1-2微米和5-10微米左右，長(zhǎng)度在30-50微米左右的范圍。具體制備過程包括以下步驟
I)首先稱取反應(yīng)物，分別取氧化鋅和碳粉，在天平上稱取Ig氧化鋅粉末，稱取
0.5g碳粉末。然后混合均勻，放入石英舟內(nèi)；2)然后將硅片用標(biāo)準(zhǔn)清洗方法清洗干凈，切一塊下來，大小約為2cmX2cm，水平放置在石英舟上方，硅片與石英舟中的反應(yīng)物保持2毫米的距離；3)將I)和2)中的裝置放入水平氣相管式爐內(nèi)，并且讓硅片所處位置位于反應(yīng)爐的正中心；4)抽真空，同時(shí)開啟反應(yīng)爐開啟程序，讓反應(yīng)爐以10°C /min升溫，同時(shí)開始通入氮?dú)狻Ｍㄈ氲牧繛?0sCCm，反應(yīng)大概需要50min升溫到980°C，升溫過程維持壓強(qiáng)大概在8kPa(80mbar)；5)當(dāng)反應(yīng)到達(dá)980°C,停止通入氮?dú)猓ㄈ胙鯕?，通入量?0sccm,通入時(shí)間為30min,并且在通入過程讓氧氣通入量以5sccm/min下降,反應(yīng)結(jié)束后停止通入氧氣。待反應(yīng)爐自然冷卻。取出基底，用SEM(掃描電子顯微鏡S4800)觀察其形貌，見圖2(d)。實(shí)施例5本實(shí)施例采用本發(fā)明的方法制備六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列，該陣列上單根氧化鋅亞微米棒的直徑1-2微米和5-10微米左右，長(zhǎng)度在30-50微米左右的范圍。具體制備過程包括以下步驟I)首先稱取反應(yīng)物，分別取氧化鋅和碳粉，在天平上稱取O. 5g氧化鋅粉末，稱取
0.5g碳粉末。然后混合均勻，放入石英舟內(nèi)；2)然后將硅片用標(biāo)準(zhǔn)清洗方法清洗干凈，切一塊下來，大小約為IcmX 2cm，水平放置在石英舟上方，硅片與石英舟中的反應(yīng)物保持I毫米的距離；3)將I)和2)中的裝置放入水平氣相管式爐內(nèi)，并且讓硅片所處位置位于反應(yīng)爐的正中心；4)抽真空，同時(shí)開啟反應(yīng)爐開啟程序，讓反應(yīng)爐以10°C /min升溫，同時(shí)開始通入氮?dú)?。通入的量?0sCCm，反應(yīng)大概需要40min升溫到950°C，升溫過程維持壓強(qiáng)大概在8kPa(80mbar)；5)當(dāng)反應(yīng)到達(dá)950 °C,停止通入氮?dú)?，通入氧氣，通入量?0sccm,通入時(shí)間20min,并且在通入過程讓氧氣通入量以lsccm/min下降，反應(yīng)結(jié)束后停止通入氧氣。待反應(yīng)爐自然冷卻。最終得到具有六方錐形的氧化鋅亞微米棒陣列。實(shí)施例6本實(shí)施例采用本發(fā)明的方法制備六方錐形氧化鋅亞微米棒陣列，該陣列上單根氧化鋅亞微米棒的直徑1-2微米和5-10微米左右，長(zhǎng)度在30-50微米左右的范圍。具體制備過程包括以下步驟I)首先稱取反應(yīng)物，分別取氧化鋅和碳粉，在天平上稱取O. 5g氧化鋅粉末，稱取
O.125g碳粉末。然后混合均勻，放入石英舟內(nèi)；2)然后將硅片用標(biāo)準(zhǔn)清洗方法清洗干凈，切一塊下來，大小約為IcmX 2cm，水平放置在石英舟上方，硅片與石英舟中的反應(yīng)物保持8毫米的距離；3)將I)和2)中的裝置放入水平氣相管式爐內(nèi)，并且讓硅片所處位置位于反應(yīng)爐的正中心；4)抽真空，同時(shí)開啟反應(yīng)爐開啟程序，讓反應(yīng)爐以20°C /min升溫，同時(shí)開始通入氮?dú)?。通入的量?50sCCm，反應(yīng)大概需要60min升溫到1050°C，升溫過程維持壓強(qiáng)大概在8kPa(80mbar)；5)當(dāng)反應(yīng)到達(dá)1050°C,停止通入氮?dú)猓ㄈ胙鯕?，通入量為IOOsccm,通入時(shí)間40min,并且在通入過程讓氧氣通入量以5sccm/min下降,反應(yīng)結(jié)束后停止通入氧氣。待反應(yīng)爐自然冷卻。最終得到具有六方錐形的氧化鋅亞微米棒陣列。件能測(cè)丨試根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3所制備的六方錐形氧化鋅亞微米棒在壓電電子學(xué)方面有突出性能，由于形貌的不對(duì)稱性，當(dāng)對(duì)它施加一個(gè)非常小的外力時(shí)，棒就會(huì)發(fā)生形變，從而使得正鋅、負(fù)氧離子發(fā)生分離，在棒內(nèi)產(chǎn)生壓電電場(chǎng)，宏觀表現(xiàn)為較粗的一端為正端，而細(xì)的一端為負(fù)端，當(dāng)用導(dǎo)線連接上外電路時(shí)，由于兩端的電勢(shì)差會(huì)使導(dǎo)線中產(chǎn)生微弱的正向電壓和電流脈沖；而當(dāng)外力消失時(shí)，電場(chǎng)消失，電子流回，從而形成反向電壓和電流脈沖。這就可以形成一個(gè)亞微米電子泵。這種電子泵既可以作為發(fā)電機(jī)，又可以作為高靈敏度氣體傳感器。利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的方法來對(duì)根據(jù)本發(fā)明的方法所制備的六方錐形氧化鋅亞微米棒進(jìn)行電性能測(cè)試。在單個(gè)六方錐形氧化鋅亞微米棒固定在柔性基底上，并在兩端各連兩個(gè)電極，并引出兩個(gè)導(dǎo)線，用KEITHLEY進(jìn)行電學(xué)信號(hào)測(cè)試，型號(hào)為4200-SCS。圖4是單個(gè)六方錐形氧化鋅亞微米棒發(fā)電示意圖。圖5為單個(gè)六方錐形氧化鋅亞微米棒發(fā)電信號(hào)電壓電流采集圖。通過圖中的信號(hào)可以看到，在某一時(shí)刻彎曲樣品，可以產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，電壓幅值在-O. 5V O. 5V之間，電流信號(hào)在_30nA 30nA之間?？傒敵龉β试?5nW左右。已經(jīng)參照具體實(shí)施方式
詳細(xì)地描述了本發(fā)明，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當(dāng)理解的是，上述具體實(shí)施方式
不應(yīng)該被理解為限定本發(fā)明的范圍。因此，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案作出各種改變和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種制備六方錐形氧化鋅亞微米棒或其陣列的方法，所述方法包括以下步驟1)稱取氧化鋅和碳粉，將其混合形成反應(yīng)物，放入容器中；2)將硅片洗凈，并放置在步驟I)所述容器的上方，所述硅片與所述容器之間的距離為1-8毫米；3)將步驟I)中的容器和步驟2)中的硅片放入反應(yīng)爐內(nèi)，并且使硅片所處位置位于反應(yīng)爐的正中心；4)抽真空，使反應(yīng)爐以10-20°C/min升溫，同時(shí)以50-150sccm的量來通入氮?dú)猓磻?yīng)需要40-60min并升溫至950_1050°C，且升溫過程中保持壓強(qiáng)在l_12kPa ；5)當(dāng)溫度達(dá)到950-1050°C，停止通入氮?dú)猓?0-100sccm的量通入氧氣，通入時(shí)間為20-40min,并且在通入的過程中使氧氣的通入量以l-5sCCm下降或上升，待反應(yīng)結(jié)束后停止通入氧氣，自然冷卻，即得六方錐形氧化鋅亞微米棒或其陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，在所述方法的步驟5)中，所述溫度達(dá)到960-980 0C，優(yōu)選為 980 °C。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，在所述方法的步驟5)中，所述氧氣以20_60sccm,優(yōu)選60sccm的量通入，通入時(shí)間為20-60min,優(yōu)選為30min。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述方法的步驟5)中，所述氧氣的通入量以l_2sccm/min下降或上升。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述方法的步驟4)中，所述反應(yīng)爐以10-15°C /min升溫，同時(shí)以50-100sccm的量來通入氮?dú)猓磻?yīng)需要50min并升溫至960-9800C，且升溫過程中保持壓強(qiáng)在5-10kPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述方法的步驟4)中，所述反應(yīng)爐以15°C /min升溫，同時(shí)以IOOsccm的量來通入氮?dú)?，反?yīng)需要50min升溫至980°C且升溫過程中保持壓強(qiáng)在5-10kPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述方法的步驟2)中，所述硅片與所述容器之間的距離為1-5毫米，并且所述硅片的取向?yàn)?111)、(100)或(001)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述方法的步驟I)中，所述氧化鋅和所述碳粉的純度為分析純，并且所述氧化鋅和所述碳粉的質(zhì)量比為1-4 1，優(yōu)選為2 I0
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述方法的步驟3)中，所述反應(yīng)爐為水平氣相管式反應(yīng)爐。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在所述方法的步驟I)中，所述容器為石英舟，所述石英舟的長(zhǎng)度為IOcm,寬度為Icm,并且深度為1cm。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述氧氣和氮?dú)饩鶠楦呒兊摹?br> 12.—種由權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述方法制備的制備六方錐形氧化鋅亞微米棒，所述六方錐形氧化鋅亞微米棒的直徑1-10微米，長(zhǎng)度為30-50微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以普通硅片為基底通過氣相蒸鍍法生成的亞微米級(jí)的具有六方柱錐形的氧化鋅棒的制備方法。首先，將ZnO粉末與C粉按照一定的質(zhì)量比均勻混合，混合均勻后放入石英舟內(nèi)，在石英舟上放置一片普通硅片，然后一起放入水平管式氣相反應(yīng)爐內(nèi)，加熱至一定溫度，加熱過程通入氮?dú)?，加熱到一定溫度后，保溫一段時(shí)間，并且通入氧氣，最后將爐子自然冷卻到室溫。利用本方法制備錐形氧化鋅亞微米結(jié)構(gòu)成本較低，工藝、設(shè)備簡(jiǎn)單，安全可靠，通用性、可操作性強(qiáng)。該錐形氧化鋅亞微米結(jié)構(gòu)可用于高靈敏度氣體傳感器、壓力傳感器以及氧化鋅壓電發(fā)電機(jī)方面的應(yīng)用。
文檔編號(hào)C30B29/16GK102912436SQ20111022441
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者王兵, 江鵬, 王中林 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心