專利名稱：一種ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列及其制備方法，特別涉及通過垂直的一維ZnO納米棒陣列采用擴散法形成P型ZnO納米陣列作為三維結(jié)構(gòu)的主干，然后用水熱法在主干上形成樹枝狀徑向分布的η型ZnO納米結(jié)構(gòu)的同質(zhì)結(jié)器件，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
ZnO作為一種典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下具有高達60 meV的激子束縛能， 在室溫下易實現(xiàn)高效率的發(fā)光，因此近年來成為發(fā)光二極管和紫外激光器等的熱門材料， 具有很好的應(yīng)用潛力。同時ZnO納米材料作為最優(yōu)異的半導(dǎo)體納米材料之一，在光學(xué)、電輸運、壓電、光電、場發(fā)射、光催化、稀磁等性能上具有顯著特點，因此在納米電子器件上的應(yīng)用也成為全世界的研究重點。要解決ZnO在光電方面的應(yīng)用，首先需要制備各種類型的同質(zhì)或者異質(zhì)結(jié)。相比異質(zhì)結(jié)，ZnO同質(zhì)結(jié)具有晶格失配小、器件效率更高等優(yōu)點。目前報道的ZnO納米結(jié)構(gòu)豐富多彩，主要集中在一維垂直陣列的研究方面，而三維ZnO納米材料由于其具有更大的比表面積，近年來得到越來越多的關(guān)注。關(guān)于ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列目前還未有報道，因此本發(fā)明具有很高的研究價值和科學(xué)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列及其制備方法。本發(fā)明的ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列，其主干為垂直于襯底的一維P型ZnO納米線，分支為徑向分布的η型ZnO納米棒。ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列的制備方法,包括以下步驟
I)將純ZnO粉末和純石墨粉按質(zhì)量比2:1放入石英U型管中，將長有ZnO籽晶層的襯底放入U型管口一側(cè)，生長室真空度至少抽至10 Pa，襯底加熱升溫到90(T95(rC，生長室通入純氮氣和純氧氣，氮氣流量為90 99 sccm，氧氣流量為I 10 sccm，控制壓強為1000 1300 Pa,生長一維直立的ZnO納米線陣列。2)將上述長有一維直立的ZnO納米線陣列的襯底放入石英舟內(nèi)，覆蓋在P型擴散源上，將石英舟放入生長室，升溫至60(T80(TC，真空抽至10 pa，通入純氧氣，流量為100 sccm,控制壓強為200(Γ5000 Pa，保溫2 3小時，形成垂直于襯底的一維P型ZnO納米線陣列。3)將濃度為O. 5"! mg/ml的ZnO納米晶氯仿溶液滴在上述一維p型ZnO納米線陣列上，升溫至20(T300°C保持1(Γ50分鐘，然后將襯底面朝下放置在濃度均為O. 0Γ0. 025 mol/L的六亞甲基四氨和二水硝酸鋅混合溶液的聚四氟乙烯內(nèi)膽內(nèi)，加熱到8(T10(TC保溫 5^20小時,得到主干為一維P型ZnO納米線,分支為徑向分布的η型ZnO納米棒的ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列。上述的襯底可以是單晶硅片，藍寶石或者石英。所述的P型擴散源可以是GaAs或 PA。本發(fā)明中ZnO，石墨，氮氣，氧氣的純度均大于99. 99%。本發(fā)明的有益效果在于
1.設(shè)備簡單，原料便宜，無需用到高真空的昂貴設(shè)備；
2.通過調(diào)整步驟I)的氣相生長溫度和步驟3)液相法的溶液濃度可以改變ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)垂直納米陣列主干和分支的尺寸和密度；
3.該種ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列可廣泛應(yīng)用于納米光電、光催化和能量轉(zhuǎn)換器件等領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明的三維ZnO同質(zhì)pn結(jié)納米陣列的掃描電鏡俯視圖。圖2是本發(fā)明的三維ZnO同質(zhì)pn結(jié)納米陣列的掃描電鏡斷面圖。圖3是本發(fā)明的主干較為稀疏、分支較短的三維ZnO同質(zhì)pn結(jié)納米陣列的掃描電鏡俯視圖。
具體實施例方式以下結(jié)合圖例，通過實例對本發(fā)明制備ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)垂直納米陣列作進一步的說明。實施例I :以單晶娃片為襯底制備ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列，具體步驟如下
I)將純度為99. 999%Zn0粉末和純度為99. 999%石墨粉按質(zhì)量比2:1放入石英U型管
中，將長有ZnO籽晶層的襯底放入U型管口一側(cè)，生長室真空度至少抽至10 Pa，襯底加熱升溫到950°C，生長室通入純氮氣(純度>99. 99% )和純氧氣(純度>99. 99% )，氮氣流量為99 sccm,氧氣流量為I sccm,控制壓強為1300 Pa,生長時間為30 min,形成一維直立的 ZnO納米線陣列。2 )將上述長有一維直立的ZnO納米線陣列的襯底放入石英舟內(nèi)，覆蓋在GaAs擴散源上，將石英舟放入生長室，升溫至600°C，真空抽至10 pa，通入純氧氣，流量為100 sccm, 控制壓強為5000 Pa，保溫2小時，形成垂直于襯底的一維P型ZnO納米線陣列。3)將濃度為I mg/ml的ZnO納米晶氯仿溶液滴在上述一維p型ZnO納米線陣列上，升溫至250°C保持30分鐘，然后將襯底面朝下放置在濃度均為O. 025 mol/L的六亞甲基四氨和二水硝酸鋅混合溶液的聚四氟乙烯內(nèi)膽內(nèi)，加熱到95°C保溫12小時，得到主干為一維P型ZnO納米線,分支為徑向分布的η型ZnO納米棒的ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列，如圖I和圖2所示。實施例2 :以石英為襯底制備ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列，具體步驟如下
I)將純度為99. 999%的ZnO粉末和純度為99. 999%的石墨粉按質(zhì)量比2:1放入石英U 型管中，將長有ZnO籽晶層的襯底放入U型管口一側(cè)，生長室真空度至少抽至10 Pa，襯底加熱升溫到900°C，生長室通入純氮氣和純氧氣，氮氣流量為99 sccm，氧氣流量為I sccm，控制壓強為1200 Pa，生長時間為30 min，形成一維直立的ZnO納米線陣列。
2)將上述長有一維直立的ZnO納米線陣列的襯底放入石英舟內(nèi)，覆蓋在GaAs擴散源上，將石英舟放入生長室，升溫至600°C，真空抽至10 pa，通入純氧氣，流量為100 sccm, 控制壓強為3000 Pa，保溫2小時，形成垂直于襯底的一維P型ZnO納米線陣列。3)將濃度為I mg/ml的ZnO納米晶氯仿溶液滴在上述一維p型ZnO納米線陣列上，升溫至250°C保持30分鐘，然后將襯底面朝下放置在濃度均為O. 01 mol/L的六亞甲基四氨和二水硝酸鋅混合溶液的聚四氟乙烯內(nèi)膽內(nèi)，加熱到90°C保溫20小時，得到主干較為稀疏，分支較短的ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列，如圖3所示。實施例3 以藍寶石為襯底制備ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列，具體步驟如下
I)將純度為99. 999%的ZnO粉末和純度為99. 999%的石墨粉按質(zhì)量比2:1放入石英U 型管中，將長有ZnO籽晶層的襯底放入U型管口一側(cè)，生長室真空度至少抽至10 Pa，襯底加熱升溫到950°C，生長室通入純氮氣和純氧氣，氮氣流量為90 sccm，氧氣流量為10 sccm，控制壓強為1000 Pa，生長時間為30 min，形成一維直立的ZnO納米線陣列。2)將上述長有一維直立的ZnO納米線陣列的襯底放入石英舟內(nèi)，覆蓋在P2O5擴散源上，將石英舟放入生長室，升溫至800°C，真空抽至10 pa，通入純氧氣，流量為100 sccm, 控制壓強為2000 Pa，保溫3小時，形成垂直于襯底的一維P型ZnO納米線陣列。3)將濃度為I mg/ml的ZnO納米晶氯仿溶液滴在上述一維p型ZnO納米線陣列上，升溫至200°C保持50分鐘，然后將襯底面朝下放置在濃度均為O. 025 mol/L的六亞甲基四氨和二水硝酸鋅混合溶液的聚四氟乙烯內(nèi)膽內(nèi)，加熱到95°C保溫12小時，得到主干為一維P型ZnO納米線,分支為徑向分布的η型ZnO納米棒的ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列。
權(quán)利要求
1.一種ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列，其特征是該陣列的主干為垂直于襯底的一維P型 ZnO納米線,分支為徑向分布的η型ZnO納米棒。
2.制備權(quán)利要求I所述的ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列的方法，其特征在于包括以下步驟1)將純ZnO粉末和純石墨粉按質(zhì)量比2:1放入石英U型管中，將長有ZnO籽晶層的襯底放入U型管口一側(cè)，生長室真空度至少抽至10 Pa，襯底加熱升溫到90(T95(rC，生長室通入純氮氣和純氧氣，氮氣流量為90 99 sccm，氧氣流量為I 10 sccm，控制壓強為1000 1300 Pa,生長一維直立的ZnO納米線陣列；2)將上述長有一維直立的ZnO納米線陣列的襯底放入石英舟內(nèi)，覆蓋在P型擴散源上， 將石英舟放入生長室，升溫至60(T800°C，真空抽至10 pa，通入純氧氣，流量為100 sccm，控制壓強為200(Γ5000 Pa，保溫2 3小時，形成垂直于襯底的一維P型ZnO納米線陣列；3)將濃度為O.5"! mg/ml的ZnO納米晶氯仿溶液滴在上述一維p型ZnO納米線陣列上, 升溫至20(T3(KrC保持1(Γ50分鐘，然后將襯底面朝下放置在濃度均為O. 0Γ0. 025 mol/ L的六亞甲基四氨和二水硝酸鋅混合溶液的聚四氟乙烯內(nèi)膽內(nèi)，加熱到8(Γ100 保溫5 20 小時，得到主干為一維P型ZnO納米線,分支為徑向分布的η型ZnO納米棒的ZnO三維同質(zhì) pn結(jié)納米陣列。
3.按權(quán)利要求2所述的ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列的制備方法，其特征在于所述的襯底是單晶硅片，藍寶石或者石英。
4.按權(quán)利要求2所述的ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列的制備方法,其特征在于所述的p 型擴散源是GaAs或P2O5。
全文摘要
本發(fā)明涉及ZnO三維同質(zhì)pn結(jié)納米陣列及其制備方法，該陣列的主干為垂直于襯底的一維p型ZnO納米線，分支為徑向分布的n型ZnO納米棒。制備方法包括利用氣相法在襯底上制備一維直立的ZnO納米線陣列，通過擴散法把上述陣列轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪Sp型ZnO納米線陣列，最后通過水熱法在p型ZnO納米陣列上生長徑向分布的n型ZnO納米棒。本發(fā)明方法簡單易行，重復(fù)性高，可通過控制氣相反應(yīng)生長溫度和液相溶液濃度來分別調(diào)節(jié)三維ZnO納米同質(zhì)pn結(jié)陣列主干和分支的長度和密度，可廣泛應(yīng)用于納米光電、光催化和能量轉(zhuǎn)換器件等領(lǐng)域。
文檔編號B82Y40/00GK102583227SQ201210064478
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者葉志鎮(zhèn), 呂建國, 張宏海, 楊曉朋, 胡亮, 黃 俊 申請人:浙江大學(xué)