有周期性纳米贴片的氧化锌纤维结构

周鸣宇

(海军航空工程学院 基础部，山东 烟台 264001)

本文利用化学气相沉积方法合成了一种新型的ZnO一维纳米材料，通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线能谱仪和光致发光谱等对其形貌和结构进行了表征， 并分析和讨论了有周期性纳米贴片排布的ZnO纳米纤维结构。

1 试验方法和过程

硅基片在丙酮溶液中进行超声清洗，并用酒精冲洗干净，其上溅射一层约2 mm厚的金膜。在Al2O3瓷舟一端放置2 g的ZnO粉(纯度>99.99%)、Sb粉(纯度>99%),其质量比按ZnO∶Sb=10∶1的比例混合，硅基片沉积面朝上均匀排列在瓷舟上，然后把瓷舟放于管式炉中的刚玉管中部。先把管式炉内抽真空至6.0 Pa，以排除管中的氧气，并保持压强在300 Pa。调节流量计，向管中通75～100 cm3/s的N2，然后将管式炉升温，以10°/min的升温速度加热管式炉至1 300 ℃，并保温10 min。系统经过约6 h自然冷却到室温。对收集沉积在管内壁的白色轻质绒状产物进行表征和测试。用扫描电子显微镜观察产物的形貌,用粉末X射线衍射仪和X射线能谱仪分析其晶体结构和晶相组成，沉积物的室温光致发光，以He-Cd激光器为激发光源进行测试。

2 试验结果与讨论

所得产物的二次电子像如图1所示。图1显示的是合成的ZnO样品的低分辨SEM图像。产物的形貌有纳米螺旋和有周期性连接点的ZnO纤维结构，其中有周期性连接点的纤维结构占到产物总量的90%以上。从SEM高分辨图像(见图2)可以清楚地看到，其中1根有周期性连接点的ZnO纤维结构的形貌，纤维状的结构是由一系列均匀排布的六角状纳米片连接而成。接合成纳米纤维的纳米贴片大小也比较均匀，ZnO纤维结构宽度为200～300 nm，厚度非常薄，只有30～50 nm。

图1 样品扫描电镜图像 图2 单根样品高分辨扫描电镜图像

试验样品的XRD图谱如图3所示。结合ZnO的标准卡片(JCPDS card No 36-1451)，发现样品是纤锌矿结构的ZnO，其晶胞参数为a=0.324 9 nm，b=0.520 6 nm。

图3 样品的XRD图谱

有周期性连接点的ZnO纤维结构在主干位置和接合的六角状纳米片位置的EDX图谱如图4所示。EDX谱来自暗场TEM像中的标记点。ZnO纤维结构的EDX谱只含Zn和O等2种元素；少量的Si元素来自衬底，说明有周期性连接点的ZnO纤维结构都是由ZnO晶体所组成。

图4 有周期性连接点的ZnO纤维结构的不同位置的EDX谱

为了研究有周期性连接点的ZnO纤维结构的发光，选择形貌均匀的样品，以He—Cd激光器325 nm为光源，测试了有周期性连接点的ZnO纤维结构的室温发光。发光光谱如图5所示。

图5 ZnO纳米结构的室温光致发光谱

光谱中出现2个发光带，分别是对应紫外的带边发射峰和中心位于525 nm的绿光区发射带。关于可见发光的理论模型已经提出很多，其中van Dijken等[11]认为在可见光发射过程中纳米晶表面态或缺陷起了重要作用。他提出可见发光的辐射过程经过光生空穴被纳米晶表面态俘获；然后隧穿回到纳米晶，和电子复合形成氧空位缺陷中心(Vo**)，每个Vo**中拥有2个空穴；最后浅陷阱的电子和深陷阱(Vo**)的空穴复合，辐出绿色的可见发光。根据van Dijken提出的可见发光模型，绿色发射带一般被认为与ZnO中氧空位或表面态等深能级有关[12]。有周期性连接点的ZnO纤维结构的绿色发光区比紫外发光区弱得多，说明了生长的ZnO结构的表面缺陷态很少，同时也间接地证明了合成的ZnO纤维结构晶体质量较好[13]。紫外发射源于自由激子的复合发光，从图5中可以看到，在385 nm附近样品出现了很强的紫外发光峰。

3 结语

本文主要介绍了用蒸发ZnO粉末的方法合成有周期性连接点的ZnO纤维结构，并对其形貌和性质进行了表征和研究。通过分析可知，所合成的ZnO纳米螺旋是单晶ZnO纤锌矿结构，它们的生长都遵循Sb诱导的VS机制。对ZnO结构的室温发光图进行了分析。这种新颖结构的合成为在极性面上组装复杂纳米结构提供了可能性。均匀排列的纳米岛陈列可以在传感器等微机电系统中作组件。

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