一种生长CdO纳米线束的方法 【技术领域】
本发明属于纳米结构生长领域，是一种真空热蒸发法生长CdO纳米线束的方法。
背景技术
立方结构块体CdO为N型II-VI族半导体材料，其直接禁带宽度为2.5eV，间接带隙宽度为1.98eV。在光电子领域，它是非常重要的一种半导体材料。CdO作为镍镉系列碱性可充电的负极活性物质，其性能的优劣直接影响电池的质量，是制约镍镉电池综合性能的关键材料。近年来，CdO广泛应用于场发射栅板显示器，被认为是最有前途的透明导电氧化物之一。
由纳米材料的发展显示，纳米尺度的材料可能有更优异的性质，可以制备出性能优异的器件。在纳米材料中，一维纳米材料，包括纳米棒、纳米线等都有重要的技术应用前景，是当前材料科学技术研究的热点之一。同时纳米结构CdO相对其块体材料也具有独特的光学、光电子学和催化性能，在传感器、太阳能电池、透明电极、电池阴极材料、光学晶体管、晶体二级管等领域有广泛应用前景。
目前已有众多生长一维CdO纳米结构的方法，如电化学沉积法，化学气相沉积法，热蒸发法。
电化学沉积法：J.J.Xu在2008年用电化学法制备CdO纳米材料，参阅J.Phys.Chem.C第112期第7151页。
化学气相沉积法：Z.L.Wang小组在未使用催化剂的条件下制备出CdO纳米带及微米级片状物，参阅2001年Science第291期第1947页。2003年C.Zhou小组制备出CdO针状纳米结构。2006年M.H.Huang在金催化下低温制备出CdO纳米线，上述参阅J.Phys.Chem.B第110期第13717页。
热蒸发法：美国华盛顿大学Y.N.Xia小组采用空气中热氧化法在Cu衬底表面氧化生成了具有均匀阵列密度的CuO纳米线阵列，参阅Nano Lett.第12期第2卷1334-1338页；中科院物理所H.J.Gao小组在2005年使用直径为0.3mm的钨丝为蒸发源采用热蒸发法在(111)Si衬底上生成具有强光致发光性质的氧化钨纳米线，参阅Appl.Phys.Lett.第86期第141901页。
由以上可以看到，目前用热蒸发法制备纳米棒的典型材料为金属氧化物，没有利用真空热蒸发制备氧化隔纳米线束的相关报道。电化学沉积法成本相对较高，而运用化学气相沉积法制备氧化镉纳米棒时，需要引入氧气和载气，条件不易控制，很难在多种衬底上得到大面积形貌均匀的纳米结构。相对以上方法而言，真空热蒸发法不需要引入载气，制样过程相对较快，操作简单，可重复性好、沉积速率高、利于大面积制备样品、成本低、无环境污染。另外此发明通过对传统的工艺的改进制备得到CdO纳米线束，且此传统工艺目前已经与工业生产相结合，因此在工业化生产应用方面，有很大的发展潜力。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种真空热蒸发法生长CdO纳米线束的方法。
本发明是通过以下工艺过程实现的：
以金属铋粉末作为催化剂，高纯CdO粉末(99.5％)为原料，按摩尔比为1∶0.02-1∶0.3将CdO粉末与金属铋粉末均匀混合后置于钼片做成的电阻加热舟中作源，将衬底置于蒸发源上方3毫米至4厘米处，当真空蒸发炉腔体的真空度达到2×10-2-5×10-3Pa(优选在5×10-3Pa时)后，加电流开始蒸发，最大沉积电流为110-180A，最大电流处沉积时间为5min-15min，在衬底上发现褐色或灰褐色的沉积物，即为CdO纳米线束。
所述纳米结构为长度为0.5-1μm，直径为50-60nm的纳米线束和长度为0.5-1μm，直径为50-100的纳米线链。
所述衬底为ITO玻璃、石英玻璃、硅片、钼片、镍片、蓝宝石片等。
所述真空蒸发炉为电阻式加热炉，加热器为钼片，优选蒸发源直接放置于钼舟加热器上。
本发明制备出的CdO纳米线束为晶态的立方相CdO，如图1所示，其表面形貌如图2，图3，图4所示。本发明直接使用混合的Bi和CdO粉为原料，将蒸发源和沉积区域分离，有效的避免了杂质和其他副产物的影响，获得的CdO纳米线束具有沉积面积大、形貌较均匀，结晶性好等特点。同时，本发明的方法简单，易于推广，适合于大规模的工业生产。
【附图说明】
图1为实施例1产品的XRD图谱，★表示产物CdO的衍射峰，●表示衬底石墨的衍射峰。
图2为实施例1产品的扫描电镜图片。
图3为实施例2产品的扫描电镜图片。
图4为实施例3产品的扫描电镜图片。
【具体实施方式】
实施例1
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.05mol均匀混合后置于钼舟加热器上作源，将钼片作为衬底置于蒸发源上方约2.5cm处。密闭蒸发腔体，当真空度达到8×10-3Pa后，以3A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至110A后保持10分钟。在衬底表面得到褐色沉积物。通过SEM观察沉积物的表面形貌为纳米线束，其组成束的纳米线直径为50-60nm，如图2。XRD分析结果表明产品的主相为立方结构CdO，如图1。
实施例2
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.1mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼舟加热器之上，石墨片为衬底置于蒸发源上方约3mm处。密闭蒸发腔体，当真空度达到8×10-3Pa后，以3.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至120A后保持15分钟。在衬底表面有褐色沉积物。SEM观察衬底沉积物的表面形貌为长度为1-2μm，直径为50-80nm的纳米线链，如图3。
实施例3
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.3mol的比例均匀混合后，将粉末直接放置到钼舟加热器之上，ITO玻璃作为衬底置于蒸发源上方约4cm处。密闭蒸发腔体，当真空度达到6×10-3Pa后，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至120A保持15分钟。在衬底表面有褐色沉积物。SEM观察沉积物的表面形貌为分布均匀的长度为1-2μm，直径为60-100nm地纳米棒，如图4。
实施例4
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.25mol的比例均匀混合后，将粉末直接放置到钼舟加热器之上，镍片为衬底置于蒸发源上方约1cm处。密闭蒸发腔体，当真空度达到5×10-3Pa后，以2A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至130A后保持10分钟。镍衬底上得到的褐色沉积物分析显示制备得到了CdO纳米线束。
实施例5
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.02mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼舟加热器之上，硅片为衬底置于蒸发源上方约5mm处。密闭蒸发腔体，当真空度达到7×10-3Pa后，以3.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至130A后保持15min。硅片上得到的褐色沉积物分析显示制备得到了CdO纳米线束。
实施例6
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.08mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼片加热器之上，石英玻璃为衬底置于蒸发源上方约2cm处。封闭蒸发腔体，当真空度达到1×10-2Pa后，以3A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至130A后保持15min。石英玻璃上得到的褐色沉积物即为本发明制备得到的CdO纳米线束。
实施例7
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.06mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼舟加热器之上，蓝宝石为衬底置于蒸发源上方约3.5cm处。封闭蒸发腔体，当真空度达到1.5×10-2Pa后，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至140A后保持15min。蓝宝石上得到的褐色沉积物即为本发明制备得到的纳米线束。
实施例8
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.15mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼舟加热器之上，蓝宝石片做为衬底置于蒸发源上方约2cm处。密闭蒸发腔体，当真空度达到2×10-2Pa后，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至130A后保持10min。蓝宝石片上得到的褐色沉积物即为本发明制备得到的纳米结构。
实施例9
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.2mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼舟加热器之上，单晶硅片为衬底置于蒸发源上方约4cm处。密闭蒸发腔体，当真空度达到9×10-3Pa后，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至120A后保持10min。硅片上得到的褐色沉积物即为本发明制备得到的纳米线束。
实施例10
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.3mol的比例均匀混合后，将粉末直接放置到钼舟加热器之上，ITO玻璃为衬底置于蒸发源上方约1.5cm处。密闭蒸发腔体，当真空度达到5×10-3Pa后，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至150A后保持10min。ITO玻璃上得到的褐色沉积物即为本发明制备得到的纳米线束。
实施例11
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.25mol的比例均匀混合后，将粉末直接放置到钼舟加热器之上，单晶硅片为衬底置于蒸发源上方约2.5cm处。密闭蒸发腔体，当真空度达到1.5×10-2Pa后，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至150A后保持10min。硅片上得到的黄褐色沉积物即为本发明制备得到的纳米线束。
实施例12
采用高纯CdO粉末(99.99％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol∶0.15mol的比例均匀混合后，将粉末直接放置到钼舟加热器之上，单晶硅片为衬底置于蒸发源上方约3.5cm处。密闭蒸发腔体，当真空度达到5×10-2Pa后，以3A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至140A后保持10min。硅片上得到的褐色沉积物即为本发明制备得到的纳米线束。