一種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的脈沖激光誘導(dǎo)制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微納米材料制備和激光微納加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的脈沖激光誘導(dǎo)制備方法。利用超短脈沖激光對置于雙氧水中的鋅基材料表面進(jìn)行輻照而制備出不同形貌氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，可適用于鋅片或采用不同襯底的鋅膜材料。
【專利說明】一種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的脈沖激光誘導(dǎo)制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納米材料制備和激光微納加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種利用超短脈沖激光對置于雙氧水中的鋅基材料表面進(jìn)行輻照而制備出不同形貌氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的方法，可適用于鋅片或采用不同襯底的鋅膜材料。
【背景技術(shù)】
[0002]作為寬帶隙半導(dǎo)體材料(常溫下帶隙為3.37 eV)，氧化鋅以其獨特的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)和催化等性能在太陽能電池、短波激光器、發(fā)光二極管、紫外線屏蔽器、氣敏傳感器、光催化劑等方面具有廣闊的應(yīng)用前景；眾所周知，氧化鋅的性能取決于其結(jié)構(gòu)形貌和尺寸大小，而其形貌和尺寸又可通過具體的制備工藝進(jìn)行調(diào)控，因此尋求氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的可控性制備工藝顯得尤為重要。
[0003]目前，氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的常用制備方法主要有化學(xué)氣相沉積法、水熱法、連續(xù)原子層吸附反應(yīng)法、溶膠-凝膠法、電沉積法、熱蒸發(fā)法、噴涂熱解法等，但由于這些方法的制備過程繁復(fù)、所需的制備時間太長(幾小時至幾十小時)、有的還需要有毒有害的有機(jī)添加劑，往往會帶來操作過程復(fù)雜、制備效率低下、易污染壞境等一系列問題，此外，采用這些方法制備氧化鋅納米結(jié)構(gòu)時可控性也不易保證，且所得產(chǎn)物的形貌和尺寸不均；在先技術(shù)中，采用激光誘導(dǎo)法制備氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的方法主要有兩種:一種是激光誘導(dǎo)分解法，即采用激光輻照滴于襯底上的含鋅有 機(jī)化合物溶液，激光作為能量源使得溶液中含鋅有機(jī)化合物分解而形成不同的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，如Fauteux等分別將水合乙酰丙酮鋅與去離子水和變性乙醇混合，或二水合醋酸鋅與甲醇、去離子水和單乙醇胺混合配制成溶液，將其分別滴于不銹鋼或石英襯底上，經(jīng)過CO2激光器輸出的10.6 ym波長激光輻照后，得到了氧化鋅納米棒、納米線、納米顆粒、納米針、納米釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)(參見文獻(xiàn):[I] C.Fauteux, R.Longtin,J.Pegna, and D.Therriault.1norganic Chemistry 46 (2007) 11036~11047; [2]C.Fauteux, Μ.A.Ε.Khakani, J.Pegna, and D.Therriault.Applied Physics A 94(2009) 819129)，但這種方法由于需要甲醇、單乙醇胺等有機(jī)溶劑及含鋅有機(jī)化合物，不僅成本相對較高，而且對環(huán)境和人身有害，且溶液的定量化配比也較難控制；另一種是激光誘導(dǎo)自組織法，即通過激光輻照置于樣品臺上的拋光氧化鋅晶體試樣而誘導(dǎo)出氧化鋅自組織納米結(jié)構(gòu)，如Guo (郭曉東)等采用聚焦的800 nm飛秒脈沖激光輻照氧化鋅試樣表面，獲得了尺寸為15(T160 nm的氧化鋅納米顆粒和周期為15(Tl80 nm的氧化鋅納米波紋(或光柵)結(jié)構(gòu)(參見文獻(xiàn):[I] X.D.Guo, R.X.Li, Y.Hang, Z.Z.Xu, B.K.Yu, H.L.Ma, B.Lu, and X.ff.Sun.Materials Letters 62 (2008) 1769~1771; [2] M.J.Zhong, G.L.Guo, J.Y.Yang, N.H.Ma, G.Ye, X.D.Guo, R.X.Li, and H.L.Ma.Chinese PhysicsB 17 (2008) 1223~1226)，但這種方法可得到的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)形貌單一，尺寸受激光波長的制約，而且需要濾光片、四分之一波片、格蘭偏振鏡等特殊光學(xué)元件，光路調(diào)節(jié)復(fù)雜且成本相對較高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是克服在先技術(shù)上的不足，提供一種在雙氧水中利用超短脈沖激光誘導(dǎo)制備氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的方法，無需特殊的有機(jī)溶劑、有機(jī)化合物和光學(xué)元件即可實現(xiàn)不同形貌氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的制備。
[0005]本發(fā)明提出的激光誘導(dǎo)制備方法的技術(shù)方案如下:
一種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的脈沖激光誘導(dǎo)制備方法，其特征在于按照以下步驟實施:
I)選用超短脈沖激光器，要求其脈沖寬度小于20 ns、波長為355~1064 nm。
[0006]2)對鋅片或鋅膜材料樣品進(jìn)行前期清洗，清洗的方法為:先將樣品依次放入去離子水、無水乙醇、丙酮、去離子水中超聲清洗，時間均為10分鐘(溫度25 °C、功率40 W)，然后用去離子水沖洗樣品表面以去除表面雜質(zhì)和殘留清洗液，隨后將樣品置于氮氣流下吹干或者自然干燥。
[0007]3)將鋅片或鋅膜材料樣品平放于0.1~5 mol/L的雙氧水的水溶液中，保持樣品上表面距離溶液液面廣5 mm;其中，所采用的雙氧水為分析純、化學(xué)純、電子純或工業(yè)純商品化試劑H2O2,質(zhì)量濃度為27.5%~70%，所采用的水為純凈水、去離子水或蒸餾水。
[0008]4)使上述超短 脈沖激光器輸出的激光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的焦點位于樣品上表面下方0.1~1 mm處(即樣品上表面位于激光焦前0.1~1 mm處)。
[0009]5)調(diào)節(jié)激光參數(shù)，控制激光的能量密度為0.5~8 J/cm2。
[0010]6)使激光輻照于樣品表面，保持輻照時間為疒30 S。
[0011]7)取下樣品，待其表面干燥后用吹耳球吹去表面的碎屑，然后對其進(jìn)行后期清洗，清洗的方法與步驟2中前期清洗的方法一樣。
[0012]本發(fā)明提出的制備方法的優(yōu)點為:
I)制備工藝簡潔、效率高。
[0013]2)不需要任何有機(jī)溶劑和有機(jī)化合物，無污染和人身安全隱患。
[0014]3)不采用特殊光學(xué)元件，激光束直接經(jīng)聚焦鏡聚焦后輻照于樣品表面，光路調(diào)節(jié)簡便。
[0015]4)所制得的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)形貌多樣，尺寸不受激光波長的制約，且可控性較好?！緦＠綀D】
【附圖說明】
[0016]圖1利用超短脈沖激光輻照鋅基材料樣品表面的示意圖；
I激光束，2聚焦鏡，3玻璃容器，4雙氧水的水溶液，5鋅基材料樣品。
[0017]圖2實施例1中制備得到的氧化鋅納米片狀結(jié)構(gòu)低倍率(a)和高倍率(b)下的SEM 圖。
[0018]圖3實施例2中制備得到的氧化鋅納米花狀結(jié)構(gòu)低倍率(a)和高倍率(b)下的SEM 圖。
[0019]圖4實施例3中制備得到的氧化鋅納米棒狀結(jié)構(gòu)的SHM圖。
[0020]圖5實施例4中制備得到的氧化鋅納米絮狀結(jié)構(gòu)的SEM圖。
[0021]圖6實施例5中制備得到的氧化鋅納米顆粒狀結(jié)構(gòu)的SEM圖。
【具體實施方式】[0022]圖1為本發(fā)明中利用超短脈沖激光輻照鋅基材料樣品表面的示意圖，激光束I經(jīng)過聚焦鏡2聚焦后直接輻照于鋅基材料樣品5表面，鋅基材料樣品5平放在盛有雙氧水的水溶液4的玻璃容器3底部，保持激光束I的焦點位于鋅基材料樣品5的上表面以下，通過控制激光能量密度和輻照時間完成氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的制備。
[0023]實施例1:采用脈寬為5~8 ns、波長為355 nm、平均功率為1.6 W、重復(fù)頻率為10Hz的納秒脈沖激光輻照鋅片樣品表面來制備氧化鋅納米結(jié)構(gòu)；將經(jīng)過前期清洗的鋅片樣品平放于5 mol/L的雙氧水溶液中，保持樣品上表面距離溶液液面I mm;打開激光器，使激光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的焦點位于樣品上表面以下0.1 _，將激光的能量密度控制在0.5J/cm2后使其直接輻照于鋅片樣品表面，并保持輻照時間30 s ;取下樣品，吹去其表面碎屑后對其進(jìn)行后期清洗；圖2顯示得到的為氧化鋅納米片狀結(jié)構(gòu)，特征尺寸(納米片寬度)為100~300 nm。 [0024]實施例2:采用脈寬為f 2 ns、波長為532 nm、平均功率為0.9 W、重復(fù)頻率為IkHz的納秒脈沖激光輻照鋅片樣品表面來制備氧化鋅納米結(jié)構(gòu)；將經(jīng)過前期清洗的鋅片樣品平放于3 mol/L的雙氧水溶液中，保持樣品上表面距離溶液液面2 mm;打開激光器，使激光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的焦點位于樣品上表面以下0.1 _，將激光的能量密度控制在I J/cm2后使其直接輻照于鋅片樣品表面，并保持輻照時間20 s ;取下樣品，吹去其表面碎屑后對其進(jìn)行后期清洗；圖3顯示得到的為由氧化鋅納米針組成的花狀結(jié)構(gòu)，特征尺寸(納米針直徑)為80~300 nm。
[0025]實施例3:采用脈寬為130fs、波長為800nm、平均功率為2.5W、重復(fù)頻率為IkHz的飛秒脈沖激光輻照鋅膜材料樣品表面來制備氧化鋅納米結(jié)構(gòu)；將經(jīng)過前期清洗的鋅膜材料樣品平放于I mol/L的雙氧水溶液中，保持樣品上表面距離溶液液面2mm ;打開激光器，使激光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的焦點位于樣品上表面以下0.5 _，將激光的能量密度控制在2 J/cm2后使其直接輻照于鋅膜材料樣品表面，并保持輻照時間10 S。取下樣品，吹去其表面碎屑后對其進(jìn)行后期清洗；圖4顯示得到的為氧化鋅納米棒狀結(jié)構(gòu)，特征尺寸(納米棒直徑)為 500nm~lμ m。
[0026]實施例4:采用脈寬為5~8 ns、波長為532nm、平均功率為1.6W、重復(fù)頻率為10 Hz的納秒脈沖激光輻照鋅片樣品表面來制備氧化鋅納米結(jié)構(gòu)；將經(jīng)過前期清洗的鋅片樣品平放于0.5 mol/L的雙氧水溶液中，保持樣品上表面距離溶液液面3 mm;打開激光器，使激光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的焦點位于樣品上表面以下0.5 _，將激光的能量密度控制在4 J/cm2后使其直接輻照于鋅片樣品表面，并保持輻照時間5 s ;取下樣品，吹去其表面碎屑后對其進(jìn)行后期清洗；圖5顯示得到的為氧化鋅納米絮狀結(jié)構(gòu)，特征尺寸為3(T60nm。
[0027]實施例5:采用脈寬為5~8 ns、波長為1064 nm、平均功率為1.6 W、重復(fù)頻率為10Hz的納秒脈沖激光輻照鋅片樣品表面來制備氧化鋅納米結(jié)構(gòu)；將經(jīng)過前期清洗的鋅片樣品平放于0.1 mol/L的雙氧水溶液中，保持樣品上表面距離溶液液面5 mm;打開激光器，使激光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的焦點位于樣品上表面以下I _，將激光的能量密度控制在8 J/cm2后使其直接輻照于鋅片樣品表面，并保持輻照時間2 s ;取下樣品，吹去其表面碎屑后對其進(jìn)行后期清洗；圖6顯示得到的為氧化鋅納米顆粒狀結(jié)構(gòu)，特征尺寸(納米顆粒直徑)為150~550 nm。
[0028]本發(fā)明所給出的上述實施例只對技術(shù)方案進(jìn)行具體說明，而不進(jìn)行限制；在本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的；因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的脈沖激光誘導(dǎo)制備方法，其特征在于按照以下步驟實施: 1)對鋅片或不同襯底的鋅膜材料樣品進(jìn)行前期清洗； 2)將鋅片或鋅膜材料樣品平放于雙氧水的水溶液中，保持樣品上表面距離溶液液面1~5 mm ； 3)使超短脈沖激光器輸出的激光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的焦點位于樣品上表面下方0.1~1mm處，即樣品上表面位于激光焦前0.1~1mm處； 4)調(diào)節(jié)激光參數(shù)，控制激光的能量密度為0.5~8 J/cm2 ； 5)使激光輻照于樣品表面，保持輻照時間為2~30s ； 6)取下樣品，待其表面干燥后用吹耳球吹去表面的碎屑，然后對其進(jìn)行后期清洗。
2.如權(quán)利要求1所述的一種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的脈沖激光誘導(dǎo)制備方法，其特征在于所述對鋅片或鋅膜材料樣品進(jìn)行前期清洗的步驟為:先將樣品依次放入去離子水、無水乙醇、丙酮、去離子水中超聲清洗，時間均為10分鐘，溫度25 °C、功率40 W ;然后用去離子水沖洗樣品表面以去除表面雜質(zhì)和殘留清洗液，隨后將樣品置于氮氣流下吹干或者自然干燥。
3.如權(quán)利要求1所述的一種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的脈沖激光誘導(dǎo)制備方法，其特征在于:雙氧水的水溶液的濃度為0.1~5 mol/L，所采用的雙氧水為分析純、化學(xué)純、電子純或工業(yè)純商品化試劑H2O2，質(zhì)量濃度為27.5%~70% ;所采用的水為純凈水、去離子水或蒸餾水。
4.如權(quán)利要求1所述的一種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的脈沖激光誘導(dǎo)制備方法，其特征在于:所述超短脈沖激光器的脈沖寬度小于20 ns、波長為355~1064 nm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的脈沖激光誘導(dǎo)制備方法，其特征在于:步驟7所述的清洗為:將輻照后的樣品依次放入去離子水、無水乙醇、丙酮、去離子水中超聲清洗，時間均為10分鐘，溫度25 °C、功率40 W ;然后用去離子水沖洗樣品表面以去除表面雜質(zhì)和殘留清洗液，隨后將樣品置于氮氣流下吹干或者自然干燥。
【文檔編號】B82Y40/00GK103641155SQ201310682706
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】李保家, 黃立靜, 任乃飛, 周明 申請人:江蘇大學(xué)