C-轴择优取向单晶ZnO六棱微管的制备方法 【技术领域】
本发明属低维结构半导体光电子材料领域，它特别涉及一种获得C-轴择优取向单晶ZnO六棱微管的方法。
背景技术
自1991年日本电子显微镜专家Lijima首次发现碳纳米管以来，碳纳米管因其独特的力学、电学及化学特性，已成为世界范围内的研究热点之一。在碳纳米管中，由于电子的量子限域效应，电子只能在单层石墨片中沿纳米管的轴向运动，其径向运动受到限制，使碳纳米管具有独特的电学性质、热导和独特的力学性质。受纳米碳管的启发，国际上材料、物理及化学科学家已将纳米管的思路拓宽至半导体和介质材料领域。
ZnO为II-VI族宽禁带化合物半导体，为纤锌矿(Wurtzite)六角晶系结构，空间群P63mc，具有高C-轴取向性。晶格常数与GaN相似，禁带宽度为3.37eV。ZnO材料在室温下具有高的激子束缚能(约60meV，而GaN为21meV，ZnSe为20meV)和较低的电子诱生缺陷，室温下光激发机制有效。ZnO薄膜在表面波器件、太阳能电池等诸多领域得到了广泛的应用。ZnO薄膜作为一种新型地光电材料，在短波长激光发射、紫外光探测器、LEDs、LDs等领域有巨大的发展潜力。对ZnO纳米材料，特别是低维ZnO材料的自组织设计和制备已成为国际上材料、物理和化学界研究的热点。低维半导体微结构材料是一种人工可改性的新型半导体材料，具有与体材料截然不同的性质。随着材料维度的降低和结构特征尺寸的减小，量子尺寸效应，量子干涉效应，量子隧穿效应，库仑阻塞效应以及多体关联和非线性光学效应都会表现得越来越明显，这将从更深的层次揭示出低维材料所特有的新现象、新效应，并为量子器件，如量子干涉晶体管，量子线场效应晶体管，单电子晶体管和单电子存储器以及量子点激光器，微腔激光器等的研制创造了条件。
目前，在ZnO一维量子线、二维量子点的制备方面已有相关报道，但国内外尚无制备C-轴择优取向单晶ZnO六棱微管的报道和相关专利。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种C-轴择优取向单晶ZnO六棱微管的制备方法，所制备的ZnO微管为单晶管，且与ZnO单晶的六方纤锌矿晶体结构具有相同的完整六棱结构，其C-轴(0002)沿管的轴方向取向，管的直径为1～10μm，管壁厚为0.1～2μm，管长度为5～20μm。
本发明目的的实现是通过一种前驱物利用水热合成方法制备C-轴择优取向单晶ZnO六棱微管，所述的前驱物是指锌盐或锌醇盐，包括醋酸锌或醋酸锌基化合物等。
本发明的一种C-轴择优取向单晶ZnO六棱微管的制备方法，其特征是采用下面的步骤：
步骤1、先合成前驱物，将前驱物加去离子水配置成浓度为0.3～0.5M(每升溶液中溶剂的摩尔含量)的溶液；
步骤2、将配好的溶液加入内衬耐酸碱并能承受一定温度的材料的容器中，使所加溶液占内衬容器的容积体积的10～50％；
步骤3、将预先清洗好的基片放入内衬耐酸碱并能承受一定温度的材料的容器的溶液中，抛光面向上(玻璃基片除外)；
步骤4、将内衬耐酸碱并能承受一定温度的材料的容器放置于金属反应釜中，拧紧金属反应釜盖，并将金属反应釜放入恒温干燥箱中加热，先在100～150℃预保温1～3小时后，再升温加热到170～220℃，保温4～8小时；
步骤5、自然降温至室温，开启反应釜盖，将基片取出，用去离子水清洗，烘干后可得在基片(抛光面)上生成的C-轴择优取向单晶ZnO六棱微管，如图1～4所示。
需要说明的是，上面所述的基片包括Si单晶、ZnO单晶、石英单晶、蓝宝石、GaN单晶，玻璃和Au、Cr、Al、Cu金属基片；所述的耐酸碱并能承受一定温度的内衬材料可以是聚四氟乙烯。
本发明的独创性和技术特点：
本发明所制备的ZnO微管为单晶管，且与ZnO单晶的六方纤锌矿晶体结构具有相同的完整六棱结构，其C-轴(0002)沿管的轴方向取向，本发明所采用水热合成技术方法具有工艺简单、设备成本、所用前驱体合成容易、制成品重复性、一致性好的特点。
附图及其附图说明
图1采用本发明方法生成的ZnO六棱微管在基片上的分布(100倍)
图2采用本发明方法生成的ZnO六棱微管在基片上的分布(1000倍)
图3采用本发明方法生成的ZnO六棱微管形貌(5000倍)
从图中看出，通过采用本发明的方法，就可以在基片上制备出了形状、大小基本一致的、具有六棱结构的ZnO微米管。
图4为ZnO六棱微管的HRTEM(高分辨率透射电子显微镜)形貌
(a)单管的SEM(扫描电子显微镜)形貌；(b)单管的TEM(透射电子显微镜)图；(c)单管局部的HRTEM图；(d)六棱管的电子衍射图样。
从图中可看出，ZnO六棱管为单晶，其C-轴(0002)方向为管的轴向。
【具体实施方式】
本实施例中前驱物采用分析纯水合醋酸锌[Zn(CH3COO)2·2H2O]，它采用下面的方法实现：
步骤1、将分析纯水合醋酸锌[Zn(CH3COO)2·2H2O]，放置于真空干燥箱中，在85℃真空干燥24小时，取出待用；
步骤2、将干燥后的醋酸锌加入去离子水，配成浓度为0.3～0.5M的溶液；
步骤3、将配好的溶液加入内衬聚四氟乙烯容器中，使所加溶液占内衬聚四氟乙烯容器的容积25％，并将预先清洗好的基片放入内衬聚四氟乙烯容器的溶液中，基片的抛光面向上(玻璃基片除外)；
步骤4、将内衬聚四氟乙烯容器放置于金属反应釜中，金属反应釜应能承受1.5Mpa和250℃的反应压力和温度；拧紧金属反应釜盖，并将金属反应釜放入恒温干燥箱中加热，先在120℃保温1～3小时后，再升温加热到185℃，保温4～8小时；
步骤5、自然降温至室温，开启反应釜盖，将基片取出，用去离子水清洗，烘干后可得在基片(抛光面)上生成的C-轴择优取向单晶ZnO六棱微管，如附图1～4所示。
通过上述方法，所制备的ZnO微管为单晶管，且与ZnO单晶的六方纤锌矿晶体结构具有相同的完整六棱结构，其C-轴(0002)沿管的轴方向取向，管的直径为1～10μm，管壁厚为0.1～2μm，管长度为5～20μm。