本發(fā)明涉及光學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種水熱法制備過渡金屬摻雜ZnO納米線的方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅(ZnO)是一種II-VI族寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料，其帶寬約為3.37eV，呈現(xiàn)良好的n型半導(dǎo)體性能，具有很好的光電性質(zhì)。ZnO具有制備成本低、生長溫度低的特點，有利于降低設(shè)備成本，抑制固相外擴散，提高薄膜質(zhì)量，也易于實現(xiàn)摻雜。同時，ZnO薄膜的原料豐富、無毒、對環(huán)境沒有污染，是一種環(huán)保型材料，在光電、壓電、熱電、鐵電和鐵磁等各個領(lǐng)域都具有優(yōu)異的性能，已廣泛地應(yīng)用于表面聲波器件、太陽能電池、氣敏、壓敏以及光電器件上。由于原材料資源豐富、價格便宜，對環(huán)境無毒害，故近年來成為繼GdN之后國際上又一研究熱點。ZnO納米棒陣列的制備方法主要有化學(xué)氣相法、電化學(xué)沉積法和水熱法等。其中化學(xué)氣相法和電化學(xué)沉積法能耗高，反應(yīng)設(shè)備昂貴，反應(yīng)條件苛刻，操作復(fù)雜。水熱法因其所需設(shè)備簡單，反應(yīng)溫度低，操作方便，適合大規(guī)模生產(chǎn)而備受人們采用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種高透過率、良好的電學(xué)特性、操作安全、重復(fù)性好的水熱法制備過渡金屬摻雜ZnO納米線的方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
一種水熱法制備過渡金屬摻雜ZnO納米線的方法，包括以下步驟：
1)采用石英作為襯底，先將石英襯底用曲拉通水溶液、丙酮、無水乙醇、去離子水分別在超聲條件下進行清洗；
2)采用磁控濺射法或溶膠-凝膠法制備ZnO晶種；其中，磁控濺射法的靶材為ZnO靶；磁控濺射條件為：背景真空度為4-6×10-4Pa、工作氣壓為0.3-0.6Pa、射頻濺射功率為150W、濺射時間為18-22min；用真空管式爐對晶種進行熱處理，在N2氣氛中進行，溫度為380-420℃，時間為18-22min；溶膠-凝膠法中溶膠是按1∶1的摩爾比將硝酸鋅、檸檬酸分別加入去離子水完全溶解；再將溶解后的硝酸鋅、檸檬酸兩種溶液放入同一容器中充分攪拌2h；將溶膠在80℃條件下進行干燥，當(dāng)溶膠形成干凝膠后升溫到130℃膨化2h；
3)采用水熱法生長ZnO納米陣列；生長溶液包括原溶液與催化劑，其中以0.04-0.08mol/L鋅鹽和過渡金屬鹽的水溶液為源溶液，以六次甲基四胺為催化劑，且鋅鹽、過渡金屬鹽、六次甲基四胺的摩爾比分別為1-8∶1-10∶5-12；取50mL生長溶液加入到密封反應(yīng)釜中，然后將制好ZnO晶種的石英襯底垂直地懸浮于裝有生長溶液的密封反應(yīng)釜中，再將反應(yīng)釜并置于90-95℃的烘箱中；3-5小時后生長結(jié)束取出反應(yīng)釜；
4)將反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，從生長溶液中取出石英襯底并用去離子水反復(fù)沖洗，洗去表面附著的顆粒，再在室溫下吹干，即得過渡金屬摻雜ZnO納米線。
作為本發(fā)明進一步的方案：步驟2)中，背景真空度為5×10-4Pa、工作氣壓為0.4Pa、射頻濺射功率為150W、濺射時間為20min；用真空管式爐對晶種進行熱處理，在N2氣氛中進行，溫度為400℃，時間為20min。
作為本發(fā)明進一步的方案：步驟3)中，鋅鹽采用醋酸鋅。
作為本發(fā)明進一步的方案：步驟3)中，過渡金屬鹽包括但不限于Co鹽、Mn鹽、Fe鹽、Ni鹽、Cr鹽中的一種或任意組合。
作為本發(fā)明進一步的方案：步驟3)中，鈷鹽采用硝酸鈷。
作為本發(fā)明進一步的方案：步驟3)中，鋅鹽、過渡金屬鹽、六次甲基四胺的摩爾比分別為3-6∶3-8∶7-10。
作為本發(fā)明進一步的方案：步驟3)中，烘箱的溫度為92.5℃。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明利用水熱法制備過渡金屬摻雜ZnO納米線，沉積速率穩(wěn)定，通過精確地控制水熱生長時間，膜厚易控制，且重復(fù)性好。采用的水熱法省去了氣相法制備所需要的復(fù)雜設(shè)備，是一種簡單方便、經(jīng)濟實用的方法。水熱法制備的過渡金屬摻雜ZnO納米線與襯底的附著強度較高，具有高透過率、良好的電學(xué)特性，價格低廉，操作安全，環(huán)境友好，重復(fù)性好，過渡金屬摻雜ZnO納米線的結(jié)構(gòu)和形貌可控，且發(fā)光性能優(yōu)異。所制備的過渡金屬摻雜ZnO納米線可用于氣敏材料、傳感器、光探測器等領(lǐng)域。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
實施例1
本發(fā)明實施例中，一種水熱法制備過渡金屬摻雜ZnO納米線的方法，包括以下步驟：
1)采用石英作為襯底，先將石英襯底用曲拉通水溶液、丙酮、無水乙醇、去離子水分別在超聲條件下進行清洗。
2)采用磁控濺射法制備ZnO晶種；其中，磁控濺射法的靶材為ZnO靶；磁控濺射條件為：背景真空度為4×10-4Pa、工作氣壓為0.3Pa、射頻濺射功率為150W、濺射時間為18min；用真空管式爐對晶種進行熱處理，在N2氣氛中進行，溫度為380℃，時間為18min。
3)采用水熱法生長ZnO納米陣列；生長溶液包括原溶液與催化劑，其中以0.04mol/L醋酸鋅和硝酸鐵的水溶液為源溶液，以六次甲基四胺為催化劑，且醋酸鋅、硝酸鐵、六次甲基四胺的摩爾比分別為1∶1∶5；取50mL生長溶液加入到密封反應(yīng)釜中，然后將制好ZnO晶種的石英襯底垂直地懸浮于裝有生長溶液的密封反應(yīng)釜中，再將反應(yīng)釜并置于90℃的烘箱中；5小時后生長結(jié)束取出反應(yīng)釜。
4)將反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，從生長溶液中取出石英襯底并用去離子水反復(fù)沖洗，洗去表面附著的顆粒，再在室溫下吹干，即得過渡金屬摻雜ZnO納米線。
實施例2
本發(fā)明實施例中，一種水熱法制備過渡金屬摻雜ZnO納米線的方法，包括以下步驟：
1)采用石英作為襯底，先將石英襯底用曲拉通水溶液、丙酮、無水乙醇、去離子水分別在超聲條件下進行清洗。
2)采用溶膠-凝膠法制備ZnO晶種；其中溶膠-凝膠法中溶膠是按1∶1的摩爾比將硝酸鋅、檸檬酸分別加入去離子水完全溶解；再將溶解后的硝酸鋅、檸檬酸兩種溶液放入同一容器中充分攪拌2h；將溶膠在80℃條件下進行干燥，當(dāng)溶膠形成干凝膠后升溫到130℃膨化2h。
3)采用水熱法生長ZnO納米陣列；生長溶液包括原溶液與催化劑，其中以0.08mol/L醋酸鋅和硝酸錳的水溶液為源溶液，以六次甲基四胺為催化劑，且醋酸鋅、硝酸錳、六次甲基四胺的摩爾比分別為8∶10∶12；取50mL生長溶液加入到密封反應(yīng)釜中，然后將制好ZnO晶種的石英襯底垂直地懸浮于裝有生長溶液的密封反應(yīng)釜中，再將反應(yīng)釜并置于95℃的烘箱中；3小時后生長結(jié)束取出反應(yīng)釜。
4)將反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，從生長溶液中取出石英襯底并用去離子水反復(fù)沖洗，洗去表面附著的顆粒，再在室溫下吹干，即得過渡金屬摻雜ZnO納米線。
實施例3
本發(fā)明實施例中，一種水熱法制備過渡金屬摻雜ZnO納米線的方法，包括以下步驟：
1)采用石英作為襯底，先將石英襯底用曲拉通水溶液、丙酮、無水乙醇、去離子水分別在超聲條件下進行清洗。
2)采用磁控濺射法制備ZnO晶種；其中，磁控濺射法的靶材為ZnO靶；磁控濺射條件為：背景真空度為5×10-4Pa、工作氣壓為0.4Pa、射頻濺射功率為150W、濺射時間為20min；用真空管式爐對晶種進行熱處理，在N2氣氛中進行，溫度為400℃，時間為20min。
3)采用水熱法生長ZnO納米陣列；生長溶液包括原溶液與催化劑，其中以0.05mol/L醋酸鋅和硝酸鎳的水溶液為源溶液，以六次甲基四胺為催化劑，且醋酸鋅、硝酸鎳、六次甲基四胺的摩爾比分別為3∶3∶7；取50mL生長溶液加入到密封反應(yīng)釜中，然后將制好ZnO晶種的石英襯底垂直地懸浮于裝有生長溶液的密封反應(yīng)釜中，再將反應(yīng)釜并置于92℃的烘箱中；3.5小時后生長結(jié)束取出反應(yīng)釜。
4)將反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，從生長溶液中取出石英襯底并用去離子水反復(fù)沖洗，洗去表面附著的顆粒，再在室溫下吹干，即得過渡金屬摻雜ZnO納米線。
實施例4
本發(fā)明實施例中，一種水熱法制備過渡金屬摻雜ZnO納米線的方法，包括以下步驟：
1)采用石英作為襯底，先將石英襯底用曲拉通水溶液、丙酮、無水乙醇、去離子水分別在超聲條件下進行清洗。
2)采用溶膠-凝膠法制備ZnO晶種；其中；溶膠-凝膠法中溶膠是按1∶1的摩爾比將硝酸鋅、檸檬酸分別加入去離子水完全溶解；再將溶解后的硝酸鋅、檸檬酸兩種溶液放入同一容器中充分攪拌2h；將溶膠在80℃條件下進行干燥，當(dāng)溶膠形成干凝膠后升溫到130℃膨化2h。
3)采用水熱法生長ZnO納米陣列；生長溶液包括原溶液與催化劑，其中以0.07mol/L醋酸鋅和硝酸鉻的水溶液為源溶液，以六次甲基四胺為催化劑，且醋酸鋅、硝酸鉻、六次甲基四胺的摩爾比分別為6∶8∶10；取50mL生長溶液加入到密封反應(yīng)釜中，然后將制好ZnO晶種的石英襯底垂直地懸浮于裝有生長溶液的密封反應(yīng)釜中，再將反應(yīng)釜并置于93℃的烘箱中；4.5小時后生長結(jié)束取出反應(yīng)釜。
4)將反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，從生長溶液中取出石英襯底并用去離子水反復(fù)沖洗，洗去表面附著的顆粒，再在室溫下吹干，即得過渡金屬摻雜ZnO納米線。
實施例5
本發(fā)明實施例中，一種水熱法制備過渡金屬摻雜ZnO納米線的方法，包括以下步驟：
1)采用石英作為襯底，先將石英襯底用曲拉通水溶液、丙酮、無水乙醇、去離子水分別在超聲條件下進行清洗。
2)采用磁控濺射法制備ZnO晶種；其中，磁控濺射法的靶材為ZnO靶；磁控濺射條件為：背景真空度為5×10-4Pa、工作氣壓為0.4Pa、射頻濺射功率為150W、濺射時間為20min；用真空管式爐對晶種進行熱處理，在N2氣氛中進行，溫度為400℃，時間為20min。
3)采用水熱法生長ZnO納米陣列；生長溶液包括原溶液與催化劑，其中以0.06mol/L醋酸鋅和硝酸鈷的水溶液為源溶液，以六次甲基四胺為催化劑，且醋酸鋅、硝酸鈷、六次甲基四胺的摩爾比分別為4∶5∶9；取50mL生長溶液加入到密封反應(yīng)釜中，然后將制好ZnO晶種的石英襯底垂直地懸浮于裝有生長溶液的密封反應(yīng)釜中，再將反應(yīng)釜并置于92.5℃的烘箱中；4小時后生長結(jié)束取出反應(yīng)釜。
4)將反應(yīng)釜自然冷卻至室溫，從生長溶液中取出石英襯底并用去離子水反復(fù)沖洗，洗去表面附著的顆粒，再在室溫下吹干，即得Co摻雜ZnO納米線。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。