摘 要：ZnO納米材料制備工藝與合成技術(shù)是其能否取得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵問(wèn)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(duì)幾種制備方法進(jìn)行比較。

關(guān)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(lái)倍受矚目的半導(dǎo)體材料，其制備工藝與合成技術(shù)是直接關(guān)系ZnO納米材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域能否進(jìn)一步發(fā)展的決定因素，制備方法的不同將會(huì)影響到ZnO納米材料的結(jié)構(gòu)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(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)，文章將總結(jié)ZnO納米材料在合成與制備領(lǐng)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(jìn)行加熱，通過(guò)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(yīng)區(qū)，從而在低溫區(qū)沉積成核，生長(zhǎng)出所需的ZnO納米結(jié)構(gòu)[1]。

對(duì)于熱蒸發(fā)法，鋅單質(zhì)或氧化鋅受熱分解可作為鋅源的主要來(lái)源，通常狀況下氧化鋅的分解溫度較高，與其相比，鋅的熔點(diǎn)（419℃）與沸點(diǎn)（907℃）較低，因此在低溫下，金屬鋅可成為生長(zhǎng)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(yīng)區(qū)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）加熱管式爐，先緩慢升至100℃，隨后升至所需反應(yīng)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(nèi)。

（3）緩慢抽取真空，使管內(nèi)氣壓穩(wěn)定到真空范圍。

（4）進(jìn)行蒸發(fā)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間按生長(zhǎng)需要而定。

2 分子束外延法

外延制備技術(shù)以其獨(dú)特的生長(zhǎng)方法可制備出高性能的氧化鋅薄膜，氣相外延技術(shù)采用不同方法可實(shí)現(xiàn)其制備，例如分子束外延法、液相外延法、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積等技術(shù)。分子束外延法的制備過(guò)程中需要在超高真空中進(jìn)行薄膜沉積，可以單晶體材料為基底，沿某一方向生長(zhǎng)氧化鋅薄膜，能在超高真空狀態(tài)下，以控制中性分子束強(qiáng)度方式使其在基體上進(jìn)行外延生長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與分析系統(tǒng)，從而獲得高質(zhì)量與性能的氧化鋅薄膜生長(zhǎng)技術(shù)。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(jìn)行加熱，坩堝一般是由碳化硼制作而成，制備氧化鋅時(shí)，將原料放在坩堝內(nèi)，通過(guò)加熱絲對(duì)坩堝進(jìn)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(yīng)氣體通道管及過(guò)渡室組成[3]，生長(zhǎng)室的分析設(shè)備可用于原位監(jiān)視和檢測(cè)基片表面和膜、以便使連續(xù)制備高質(zhì)量外延生長(zhǎng)膜的條件最優(yōu)化，除了具有使用高純?cè)卦串a(chǎn)生純外延層、原位監(jiān)測(cè)以控制組分和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)外，分子束外延是在超高真空條件下進(jìn)行膜生長(zhǎng)，此外，對(duì)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(lái)的。與二級(jí)濺射相比，磁控濺射技術(shù)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(yīng)明顯的缺陷。磁控濺射是為了在低氣壓下進(jìn)行高速濺射，有效地提高氣體的離化率，將磁場(chǎng)加在靶材陰極附近，帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)后，磁場(chǎng)對(duì)其產(chǎn)生約束，進(jìn)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(shí)，可在裝置中增加一個(gè)封閉的磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)平行于靶面，形成正交電磁場(chǎng)，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(guò)程，其工作原理是在電場(chǎng)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(chǎng)作用下高速Ar離子濺射陰極靶表面，靶材上的原子團(tuán)簇濺射出來(lái)并沉積在襯底上成膜的過(guò)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(jié)構(gòu)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(dāng)前領(lǐng)域的熱點(diǎn)[4]，在特定模板中制備與構(gòu)建低維氧化鋅納米材料的模板法，成為當(dāng)今的一種新興納米合成方法。采用特定結(jié)構(gòu)限制材料生長(zhǎng)的尺寸和形貌可稱(chēng)之為模板法，模板法是通過(guò)一定結(jié)構(gòu)與尺寸的模板為主體，通過(guò)反應(yīng)在其中生成客體的納米材料，通過(guò)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(yīng)過(guò)程中，主體模板有指導(dǎo)作用，根據(jù)模板的種類(lèi)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(nèi)進(jìn)行的濕化學(xué)方法我們叫做水熱法，或稱(chēng)為溶液法[6]。在水熱反應(yīng)體系中，采用水作為反應(yīng)溶劑，將水與反應(yīng)原料裝于密閉的反應(yīng)器內(nèi)充分混合，然后對(duì)體系進(jìn)行加熱，由于密閉環(huán)境，反應(yīng)體系處在一個(gè)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(duì)氧化鋅納米材料制備十分有利。近年來(lái)，科研者不斷的探索制備生長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)缺點(diǎn)是要在1000℃左右的高溫下進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而存在能耗較高、溫度難以達(dá)到、大規(guī)模生產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。相對(duì)于氣相法，水熱法制備氧化鋅生產(chǎn)裝置簡(jiǎn)單、成本較低，所以通常采用水熱法來(lái)制備合成氧化鋅納米材料。

水熱法制備氧化鋅時(shí)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(gè)主要反應(yīng)：反應(yīng)物分解與加速離子反應(yīng)。反應(yīng)物分解是指大多數(shù)反應(yīng)物都可溶解在水中，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)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(jié)束語(yǔ)

ZnO作為近十年來(lái)最受注目的半導(dǎo)體材料之一，其納米結(jié)構(gòu)具有多樣性及可控性，成本低，無(wú)毒綠色等眾多優(yōu)異性質(zhì)，可廣泛應(yīng)用在紫外探測(cè)器、納米激光器及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，研究制備與合成ZnO納米材料技術(shù)，在半導(dǎo)體器件、電陽(yáng)能電池等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[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(cè)試[D].上海大學(xué)理學(xué)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(jié)構(gòu)研究[D].

東北大學(xué)，2009.

[4]吳莉莉.納米氧化鋅的制備及其光學(xué)性能研究[D].山東大學(xué)，2005.

[5]蔣緒川.軟模板法硫化物納米材料的合成研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2001.

[6]董慶華.不同形貌ZnO納米材料的可控制備及生長(zhǎng)機(jī)理研究[D].青島科技大學(xué)，2013.