ZnO納米線陣列微米條帶結構的尺度可控生長實驗研究

侯文東

摘 要：介紹了溶液提拉種子法制備ZnO納米線陣列微米條帶的方法，并用溶液提拉種子法在帶有晶種層的玻璃襯底上制備了高度有序的ZnO納米線陣列微米條帶。通過玻璃襯底上種子的可控分布，實現了納米線的可控生長，出現了良好的氧化鋅納米線陣列微米條帶。通過分析發現，種子液濃度、提拉停留時間、溫度控制、間距變化和生長時間等實驗條件參數與ZnO納米線陣列條帶的形貌結構所對應的關系。

關鍵詞：氧化鋅；納米線陣列微米條帶；晶種層；溶液提拉種子法

中圖分類號：O472.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.088

1 制備氧化鋅納米線陣列微米條帶

氧化鋅納米線陣列微米條帶的制備需要控制多方條件，實驗前期的準備工作十分重要。本文對襯底的處理、晶種條帶的提拉、晶種條帶的固定、氧化鋅納米線的生長進行了介紹，并進行了簡單的提拉實驗，對樣品的制作有了初步的掌控。

本實驗利用Zn（NO3）2和（CH2）6N4反應制備ZnO納米線。（CH2）6N4加熱生成的NH3水解生成OH提供堿性環境。反應過程中，ZnO在溶液中生成，也在襯底表面的ZnO晶種層上生成。其中，在溶液中均勻成核，在襯底表面為非均勻成核。

配置生長液時，Zn（NO3）2和（CH2）6N4加入250 mL去離子水，攪拌均勻后放入帶晶種層的襯底。為了防止反應中ZnO在反應表面沉積，應將帶晶種層的一面向下傾斜放置；將反應容器放入水浴鍋，以恒定速度升溫加熱30 min；取出后超聲清洗1 min，吹凈表面黏附物，晾干即可。以下從實驗條件參數入手研究其對ZnO納米線陣列微米條帶結構的影響效果。

2 實驗條件參數改變的影響

種子液濃度的變化對ZnO微米條帶結構的影響為：共有5個濃度比例的種子液，控制其他條件逐一改變種子液的濃度比例，通過觀察最終條紋的狀況確定種子液濃度對條帶結構的影響程度。其中，種子液濃度比例為1∶0提拉出的微米條帶，生長出的條紋不整齊。條紋間距的不同對獲得ZnO微米條帶的影響：用種子液濃度比例為1∶4的種子液提拉生長的ZnO納米線陣列微米條帶的樣品中截取不同條紋間距的圖片，對條紋間距的把握會影響到陣列條帶整體的齊整度。

3 尺度界限探究

通過上述研究得出實驗條件參數與生長出的ZnO納米線陣列微米條帶的對應關系。任何一定的條件都會適應一定的結果，不會超出這個范圍。因此，ZnO納米線陣列微米條帶結構的尺度界限是本文研究的目的。

3.1 條紋出現和消失的邊界條件

研究發現，有些部位的條紋并不清晰，因此，從一定實驗條件的改變尋找了這個界限。在種子液濃度比例為1∶1的條件下，用干凈標號為K4的玻璃襯底提拉生長出的ZnO納米線陣列微米條帶，提拉停留時間最短為3 s時，條紋效果較弱；在種子液濃度比例為1∶2，提拉停留時間最短為3 s的條件下，提拉生長出的ZnO納米線陣列微米條帶條紋開始變得模糊；在種子液濃度比例為1∶3的條件下，提拉停留時間為3 s和4 s的條紋都不可見，5 s時的條紋非常的模糊，8 s的條紋效果很弱，呈現出粉狀的條帶。

3.2 條紋間距的清晰或粘滯的界限條件

寬間距的納米線陣列微米條帶可輕易獲得，但窄間距的納米線陣列條帶卻是我們一直所追求的。在目前的實驗環境和條件下，納米線條帶的最窄間距值得探究。在實驗過程中，我們發現了清晰、整齊的10 μm間距的納米線條帶，之后又加入了8 μm和7 μm間距的條帶提拉。因此，7 μm或8 μm的條紋生長成為了研究的瓶頸，在這種間距范圍下，觀測顯得尤為重要。

種子液濃度比例為1∶1時，7 μm間距、15 s提拉停留時間的條件下，條紋出現相互粘連的現象，10 s時個別區域出現粘連，其余提拉停留時間的條紋均清晰、整齊，而8 μm間距下的全部條帶均清晰、整齊，無粘連現象出現。

種子液濃度比例為1∶2時，7 μm和8 μm間距的條紋在3 s、4 s和5 s提拉停留時間的條件下出現有粉狀毛刺的邊界，其余提拉停留時間的條紋都清晰、整齊，無粘連現象出現。

種子液濃度比例為1∶3時，7 μm和8 μm間距的條紋在3s、4 s和5 s提拉停留時間的條件下出現沒有條帶或者條帶模糊的現象，但在7 μm、15 s提拉停留時間的條件下出現了粘連現象，其余提拉停留時間的條紋都清晰、整齊，8 μm間距下其余提拉停留時間的條紋都清晰、整齊，無粘連現象出現。

4 結束語

在恒溫和變溫水浴環境下，利用溶液法在玻璃襯底上生長出氧化鋅納米線陣列微米條帶，并對氧化鋅納米線微米條帶結構的尺寸可控生長進行了研究。對每一批次的樣品進行了圖像對比，找出可不同條件下的不同之處，逐步對各個實驗條件對樣品條紋的影響作用有了大致了解。在相同濃度比例的條件下，生長獲得的氧化鋅納米線陣列微米條帶寬度是隨提拉停留時間的縮短而變窄的。隨著條帶間距的縮小，陣列微米條帶相互間的不穩定性提升。在濃度比例減小的情況下，氧化鋅納米線陣列微米條帶的寬度和穩定性都會變化。在這些實驗中，我們了解到了氧化鋅納米線陣列微米條帶結構尺寸的可控生長機制。

參考文獻

[1]張立德，牟季美.材料和納米結構[M].北京：科學出版社，2001.

[2]唐天同，王兆宏.微納加工科學原理[M].北京：電子工業出版社，2010.

〔編輯：張思楠〕