D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.07.019 第29卷第7期 北京科技大学学报 Vol.29 No.7 2007年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing J.2007 水热法制备氧化锌纳米棒阵列的生长动力学研究 郭敏)刁鹏)王新东)蔡生民) 1)北京科技大学理化系，北京1000832)北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100083 3)北京大学化学与分子工程学院，北京100871 摘要采用低温水热方法，在经预先修饰的基底上制备出取向高度一致的Z0纳米棒阵列.用SEM和XRD等手段对制备 的纳米棒阵列进行了表征，Z0纳米棒阵列水热生长动力学表明：当生长时间在8h内时，纳米棒的生长速度较快，之后纳米 棒的生长近乎停止，棒的长度和直径基本不再改变，在生长速度较快的8内时，纳米棒的径向生长由两个明显的动力学过程 组成，即由生长时间在1.5h内的快速生长步骤和随后的慢速生长步骤组成：纳米棒的长度以约5.5 nm-min的生长速度增 加至2.4m 关键词Z0:纳米棒：阵列膜：水热法：动力学 分类号TN304.2+1:0641 固体基底上高度取向Zn0纳米线/棒阵列以其 及长度之间的关系；经统计分析，得到了纳米棒的直 优异的性能在纳米电子器件及纳米光电子器件方面 径和长度随时间增长的变化规律， 得到广泛关注].尤其是室温下光致激光的发 现，使得Z0纳米线/棒阵列迅速成为紫外半导体 1实验 激光器件材料研究的国际热点山.目前制备高质量 首先制备出Zn0纳米粒子的胶体溶液[1]，即 Z0纳米线/棒阵列多采用条件苛刻、操作复杂的 将一定量的Zn(CH3C00)2·2Hz0(分析纯，北京化 VLS或CVD法[1，可]，由于实施起来需要昂贵的仪 工厂)溶于一定量的NHCH2CH2OH和 器和较高的温度，不利于Z0纳米线/棒阵列的大 HOCHCH2OCH3(分析纯，天津化学试剂厂)中， 规模制备，从而制约了其在许多纳米器件中的应用， 60℃下持续搅拌至生成均一透明的胶体溶液，用此 采用模板法合成Z0纳米线/棒阵列的关键是模板 胶体溶液对IT0(深圳伟光导电膜玻璃有限公司，方 的制备，然而模板制备工艺复杂，并且去除模板时容 块电阻10Ωcmˉ2)基底进行铺膜修饰（这种处理基 易使制备出的纳米线阵列被污染，原本分散的纳米 底的方法称为溶胶铺膜法，简称CPT法)并加热处 线易于相互粘结团聚在一起，破坏了原有的纳米结 理.重复三次后，将表面铺满一层Zn0纳米粒子膜 构·因此，探索一种廉价、简捷、行之有效的方法来 的导电玻璃放入不同配比浓度的Zn(NO3)z(分析 制备Z0纳米线/棒阵列是当前的关键，水热法操 纯，北京化工厂)和(CH2)6N4(六次甲基四胺，分析 作简单、反应条件温和、无污染，是大规模制备Z0 纯，江苏无锡化工厂)组成的混合溶液中，95℃水热 纳米线/棒阵列的有效方法·虽然国际上已有少数 反应所需时间后取出，用石英亚沸蒸馏水重蒸的二 几个实验小组正在从事这方面的研究，但只是刚刚 次水反复冲洗以除去吸附的多余离子和胺盐，空气 起步，其重点都在于Zn0纳米线/棒阵列的制 中晾干以备表征用， 备[山，缺乏对制备出的Zm0纳米线/棒的直径、长 用扫描电子显微镜(SEM,Philips FEI XL30 度及形貌进行控制的有效手段，尤其是采用低温水 SFEG工作电压10KeV)和X射线粉末衍射仪 热法制备Z0纳米棒阵列的动力学研究少之又少， (XRD,RIGAKU,Dmax一2OO0,辐射源为CuKa) 本文采用低温水热法，在经过溶胶铺膜修饰的基底 对制备出的ZO纳米棒的形貌和晶体结构进行了 上制备出高度取向的Zn0纳米棒阵列薄膜，探讨了 表征 水热生长时间与制备得到的Zn0纳米棒的直径以 2结果与讨论 收稿日期：2006-02-21修回日期：2006-04-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。20073003) 图1为采用溶胶铺膜法(CPT法)处理基底后 作者简介：郭敏(1968一)，女，副教授，博士 在不同水热反应时间制备得到的高度有序Z0纳水热法制备氧化锌纳米棒阵列的生长动力学研究 郭 敏1） 刁 鹏2） 王新东1） 蔡生民3） 1） 北京科技大学理化系‚北京100083 2） 北京航空航天大学材料科学与工程学院‚北京100083 3） 北京大学化学与分子工程学院‚北京100871 摘 要 采用低温水热方法‚在经预先修饰的基底上制备出取向高度一致的 ZnO 纳米棒阵列．用 SEM 和 XRD 等手段对制备 的纳米棒阵列进行了表征．ZnO 纳米棒阵列水热生长动力学表明：当生长时间在8h 内时‚纳米棒的生长速度较快‚之后纳米 棒的生长近乎停止‚棒的长度和直径基本不再改变．在生长速度较快的8h 内时‚纳米棒的径向生长由两个明显的动力学过程 组成‚即由生长时间在1∙5h 内的快速生长步骤和随后的慢速生长步骤组成；纳米棒的长度以约5∙5nm·min －1的生长速度增 加至2∙4μm． 关键词 ZnO；纳米棒；阵列膜；水热法；动力学 分类号 T N304∙2＋1；O641 收稿日期：2006-02-21 修回日期：2006-04-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．20073003） 作者简介：郭 敏（1968－）‚女‚副教授‚博士 固体基底上高度取向 ZnO 纳米线／棒阵列以其 优异的性能在纳米电子器件及纳米光电子器件方面 得到广泛关注［1－3］．尤其是室温下光致激光的发 现‚使得 ZnO 纳米线／棒阵列迅速成为紫外半导体 激光器件材料研究的国际热点［1］．目前制备高质量 ZnO 纳米线／棒阵列多采用条件苛刻、操作复杂的 VLS 或 CVD 法［1‚4－5］‚由于实施起来需要昂贵的仪 器和较高的温度‚不利于 ZnO 纳米线／棒阵列的大 规模制备‚从而制约了其在许多纳米器件中的应用． 采用模板法合成 ZnO 纳米线／棒阵列的关键是模板 的制备‚然而模板制备工艺复杂‚并且去除模板时容 易使制备出的纳米线阵列被污染‚原本分散的纳米 线易于相互粘结团聚在一起‚破坏了原有的纳米结 构．因此‚探索一种廉价、简捷、行之有效的方法来 制备 ZnO 纳米线／棒阵列是当前的关键．水热法操 作简单、反应条件温和、无污染‚是大规模制备 ZnO 纳米线／棒阵列的有效方法．虽然国际上已有少数 几个实验小组正在从事这方面的研究‚但只是刚刚 起步‚其 重 点 都 在 于 ZnO 纳 米 线／棒 阵 列 的 制 备［6－11］‚缺乏对制备出的 ZnO 纳米线／棒的直径、长 度及形貌进行控制的有效手段‚尤其是采用低温水 热法制备 ZnO 纳米棒阵列的动力学研究少之又少． 本文采用低温水热法‚在经过溶胶铺膜修饰的基底 上制备出高度取向的 ZnO 纳米棒阵列薄膜‚探讨了 水热生长时间与制备得到的 ZnO 纳米棒的直径以 及长度之间的关系；经统计分析‚得到了纳米棒的直 径和长度随时间增长的变化规律． 1 实验 首先制备出 ZnO 纳米粒子的胶体溶液［12］‚即 将一定量的 Zn（CH3COO）2·2H2O（分析纯‚北京化 工 厂 ） 溶 于 一 定 量 的 NH2CH2CH2OH 和 HOCH2CH2OCH3（分析纯‚天津化学试剂厂） 中‚ 60℃下持续搅拌至生成均一透明的胶体溶液．用此 胶体溶液对 ITO（深圳伟光导电膜玻璃有限公司‚方 块电阻10Ω·cm －2）基底进行铺膜修饰（这种处理基 底的方法称为溶胶铺膜法‚简称 CPT 法） 并加热处 理．重复三次后‚将表面铺满一层 ZnO 纳米粒子膜 的导电玻璃放入不同配比浓度的 Zn（NO3）2（分析 纯‚北京化工厂）和（CH2）6N4（六次甲基四胺‚分析 纯‚江苏无锡化工厂）组成的混合溶液中‚95℃水热 反应所需时间后取出‚用石英亚沸蒸馏水重蒸的二 次水反复冲洗以除去吸附的多余离子和胺盐‚空气 中晾干以备表征用． 用扫描电子显微镜（SEM‚Philips FEI XL30 SFEG 工作电压 10KeV） 和 X 射线粉末衍射仪 （XRD‚RIGAKU‚Dmax－2000‚辐射源为 Cu Kα） 对制备出的 ZnO 纳米棒的形貌和晶体结构进行了 表征． 2 结果与讨论 图1为采用溶胶铺膜法（CPT 法）处理基底后 在不同水热反应时间制备得到的高度有序 ZnO 纳 第29卷 第7期 2007年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．7 Jul．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．07．019