制備與合成ZnO納米材料方法分析

摘 要：ZnO納米材料制備工藝與合成技術是其能否取得突破性進展的關鍵問題，文章綜述了制備與合成ZnO納米材料的幾種常用方法：熱蒸發(fā)法、分子束外延法、射頻磁控濺射法、模板法及水熱法，并對幾種制備方法進行比較。

關鍵詞：ZnO納米材料；熱蒸發(fā)法；磁控濺射法；水熱合成法

前言

ZnO納米材料作為近年來倍受矚目的半導體材料，其制備工藝與合成技術是直接關系ZnO納米材料在半導體領域能否進一步發(fā)展的決定因素，制備方法的不同將會影響到ZnO納米材料的結構與光、電、磁等性能，因此，探索出制備與合成ZnO納米材料的方法與手段，成為科學家們關注的焦點，文章將總結ZnO納米材料在合成與制備領域中最常用的幾種方法。

1 熱蒸發(fā)法

在熱蒸發(fā)法中，將原料與催化劑的混合物放在高溫端進行加熱，通過蒸發(fā)現(xiàn)象，將原料在高溫區(qū)受熱升華并通入一定流量的氣體，氣體可將受熱蒸汽傳送到蒸發(fā)反應區(qū)，從而在低溫區(qū)沉積成核，生長出所需的ZnO納米結構[1]。

對于熱蒸發(fā)法，鋅單質或氧化鋅受熱分解可作為鋅源的主要來源，通常狀況下氧化鋅的分解溫度較高，與其相比，鋅的熔點（419℃）與沸點（907℃）較低，因此在低溫下，金屬鋅可成為生長氧化鋅納米材料的理想原料。由熱蒸發(fā)法原理，可在管式爐制備ZnO納米材料，通常用石墨粉作為催化劑，將ZnO與石墨粉1：1混合后作為原料，放置于石英管高溫反應區(qū)，具體實驗過程如下：

（1）加熱管式爐，先緩慢升至100℃，隨后升至所需反應溫度。

（2）將襯底放入丙酮和乙醇中分別超聲10分鐘，清潔石英管，將ZnO和石墨以1：1的比例放入小石英管底部，放置襯底，并將小石英管放入爐內。

（3）緩慢抽取真空，使管內氣壓穩(wěn)定到真空范圍。

（4）進行蒸發(fā)反應，反應時間按生長需要而定。

2 分子束外延法

外延制備技術以其獨特的生長方法可制備出高性能的氧化鋅薄膜，氣相外延技術采用不同方法可實現(xiàn)其制備，例如分子束外延法、液相外延法、金屬有機物化學氣相沉積等技術。分子束外延法的制備過程中需要在超高真空中進行薄膜沉積，可以單晶體材料為基底，沿某一方向生長氧化鋅薄膜，能在超高真空狀態(tài)下，以控制中性分子束強度方式使其在基體上進行外延生長，實驗設備包括原位監(jiān)測系統(tǒng)與分析系統(tǒng)，從而獲得高質量與性能的氧化鋅薄膜生長技術。分子束外延所需原料置于指定坩堝中，加熱使原料升華，分子束轟擊于基體表面，加熱裝置可將基體進行加熱，坩堝一般是由碳化硼制作而成，制備氧化鋅時，將原料放在坩堝內，通過加熱絲對坩堝進行加熱，生成氧化鋅薄膜[2]。

分子束外延的基本裝置由超高真空室、基體加熱裝置、分子束源、反應氣體通道管及過渡室組成[3]，生長室的分析設備可用于原位監(jiān)視和檢測基片表面和膜、以便使連續(xù)制備高質量外延生長膜的條件最優(yōu)化，除了具有使用高純元素源產(chǎn)生純外延層、原位監(jiān)測以控制組分和結構的特點外，分子束外延是在超高真空條件下進行膜生長，此外，對沉積率和組分的高度精確控制可以快速改變成分、摻雜濃度等。

3 射頻磁控濺射法

磁控濺射系統(tǒng)是由基本的二極濺射系統(tǒng)演變發(fā)展而來的。與二級濺射相比，磁控濺射技術有效的解決了二極濺射沉積薄膜等離子體離化率低、與蒸發(fā)鍍相比較速度慢以及基體熱效應明顯的缺陷。磁控濺射是為了在低氣壓下進行高速濺射，有效地提高氣體的離化率，將磁場加在靶材陰極附近，帶電粒子進入磁場后，磁場對其產(chǎn)生約束，進而可提高等離子體的密度、增加濺射率的一種方法。磁控濺射制備氧化鋅時，可在裝置中增加一個封閉的磁場，此磁場平行于靶面，形成正交電磁場，將二次電子束縛在濺射靶表面區(qū)域，從而增加離子的密度和能量，產(chǎn)生高速率制備氧化鋅的濺射過程，其工作原理是在電場E作用下高速電子與濺射氣體氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出Ar核和新的電子，在電場作用下高速Ar離子濺射陰極靶表面，靶材上的原子團簇濺射出來并沉積在襯底上成膜的過程。

4 模板法

現(xiàn)如今，氧化鋅納米材料研究的方向已發(fā)展成納米結構量子器件的制備與合成，因此，制備合成低維氧化鋅納米材料成為當前領域的熱點[4]，在特定模板中制備與構建低維氧化鋅納米材料的模板法，成為當今的一種新興納米合成方法。采用特定結構限制材料生長的尺寸和形貌可稱之為模板法，模板法是通過一定結構與尺寸的模板為主體，通過反應在其中生成客體的納米材料，通過選定氧化鋅納米模板，可獲得尺寸均勻、形貌一致的氧化鋅納米材料，在反應過程中，主體模板有指導作用，根據(jù)模板的種類不同，又可分為硬模板與軟模板[5]。

5 水熱合成法

在密封的容器內進行的濕化學方法我們叫做水熱法，或稱為溶液法[6]。在水熱反應體系中，采用水作為反應溶劑，將水與反應原料裝于密閉的反應器內充分混合，然后對體系進行加熱，由于密閉環(huán)境，反應體系處在一個高溫高壓狀態(tài)下，這種條件生成的氧化鋅納米材料需要一些特定組件，而高溫高壓對氧化鋅納米材料制備十分有利。近年來，科研者不斷的探索制備生長有序、性能優(yōu)異的氧化鋅納米材料的方法，例如：采用高溫下氣化、貴金屬催化等方法可制備出排列有序、高度定向一致的氧化鋅納米陣列，但是此實驗缺點是要在1000℃左右的高溫下進行反應，進而存在能耗較高、溫度難以達到、大規(guī)模生產(chǎn)難以實現(xiàn)等問題。相對于氣相法，水熱法制備氧化鋅生產(chǎn)裝置簡單、成本較低，所以通常采用水熱法來制備合成氧化鋅納米材料。

水熱法制備氧化鋅時是在高溫高壓條件下，因而水的粘度、溶解度及離子積等因素都發(fā)生改變，水熱法有兩個主要反應：反應物分解與加速離子反應。反應物分解是指大多數(shù)反應物都可溶解在水中，促進反應的進行。水熱法制備氧化鋅既可合成微小的單晶體，又可制備多組分的化合物。

6 結束語

ZnO作為近十年來最受注目的半導體材料之一，其納米結構具有多樣性及可控性，成本低，無毒綠色等眾多優(yōu)異性質，可廣泛應用在紫外探測器、納米激光器及生物醫(yī)學等領域，研究制備與合成ZnO納米材料技術，在半導體器件、電陽能電池等諸多領域具有重要的應用前景。

參考文獻

[1]B.D.Yao，Y.F.Chan，N.Wang.Formation of ZnO nanostructures by a simple way of thermal evaporation[J].Appl.Phys.Lett，2002，81（4）：757-759.

[2]沈超.碲化鉍納米材料的分子束外延法制備與薄膜熱電性能測試[D].上海大學理學院，2013.

[3]張炳森.Bi系氧化物薄膜的分子束外延法制備及微結構研究[D].

東北大學，2009.

[4]吳莉莉.納米氧化鋅的制備及其光學性能研究[D].山東大學，2005.

[5]蔣緒川.軟模板法硫化物納米材料的合成研究[D].中國科學技術大學，2001.

[6]董慶華.不同形貌ZnO納米材料的可控制備及生長機理研究[D].青島科技大學，2013.