ZnO纳米线阵列微米条带结构的尺度可控生长实验研究

侯文东

摘 要：介绍了溶液提拉种子法制备ZnO纳米线阵列微米条带的方法，并用溶液提拉种子法在带有晶种层的玻璃衬底上制备了高度有序的ZnO纳米线阵列微米条带。通过玻璃衬底上种子的可控分布，实现了纳米线的可控生长，出现了良好的氧化锌纳米线阵列微米条带。通过分析发现，种子液浓度、提拉停留时间、温度控制、间距变化和生长时间等实验条件参数与ZnO纳米线阵列条带的形貌结构所对应的关系。

关键词：氧化锌；纳米线阵列微米条带；晶种层；溶液提拉种子法

中图分类号：O472.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.088

1 制备氧化锌纳米线阵列微米条带

氧化锌纳米线阵列微米条带的制备需要控制多方条件，实验前期的准备工作十分重要。本文对衬底的处理、晶种条带的提拉、晶种条带的固定、氧化锌纳米线的生长进行了介绍，并进行了简单的提拉实验，对样品的制作有了初步的掌控。

本实验利用Zn（NO3）2和（CH2）6N4反应制备ZnO纳米线。（CH2）6N4加热生成的NH3水解生成OH提供碱性环境。反应过程中，ZnO在溶液中生成，也在衬底表面的ZnO晶种层上生成。其中，在溶液中均匀成核，在衬底表面为非均匀成核。

配置生长液时，Zn（NO3）2和（CH2）6N4加入250 mL去离子水，搅拌均匀后放入带晶种层的衬底。为了防止反应中ZnO在反应表面沉积，应将带晶种层的一面向下倾斜放置；将反应容器放入水浴锅，以恒定速度升温加热30 min；取出后超声清洗1 min，吹净表面黏附物，晾干即可。以下从实验条件参数入手研究其对ZnO纳米线阵列微米条带结构的影响效果。

2 实验条件参数改变的影响

种子液浓度的变化对ZnO微米条带结构的影响为：共有5个浓度比例的种子液，控制其他条件逐一改变种子液的浓度比例，通过观察最终条纹的状况确定种子液浓度对条带结构的影响程度。其中，种子液浓度比例为1∶0提拉出的微米条带，生长出的条纹不整齐。条纹间距的不同对获得ZnO微米条带的影响：用种子液浓度比例为1∶4的种子液提拉生长的ZnO纳米线阵列微米条带的样品中截取不同条纹间距的图片，对条纹间距的把握会影响到阵列条带整体的齐整度。

3 尺度界限探究

通过上述研究得出实验条件参数与生长出的ZnO纳米线阵列微米条带的对应关系。任何一定的条件都会适应一定的结果，不会超出这个范围。因此，ZnO纳米线阵列微米条带结构的尺度界限是本文研究的目的。

3.1 条纹出现和消失的边界条件

研究发现，有些部位的条纹并不清晰，因此，从一定实验条件的改变寻找了这个界限。在种子液浓度比例为1∶1的条件下，用干净标号为K4的玻璃衬底提拉生长出的ZnO纳米线阵列微米条带，提拉停留时间最短为3 s时，条纹效果较弱；在种子液浓度比例为1∶2，提拉停留时间最短为3 s的条件下，提拉生长出的ZnO纳米线阵列微米条带条纹开始变得模糊；在种子液浓度比例为1∶3的条件下，提拉停留时间为3 s和4 s的条纹都不可见，5 s时的条纹非常的模糊，8 s的条纹效果很弱，呈现出粉状的条带。

3.2 条纹间距的清晰或粘滞的界限条件

宽间距的纳米线阵列微米条带可轻易获得，但窄间距的纳米线阵列条带却是我们一直所追求的。在目前的实验环境和条件下，纳米线条带的最窄间距值得探究。在实验过程中，我们发现了清晰、整齐的10 μm间距的纳米线条带，之后又加入了8 μm和7 μm间距的条带提拉。因此，7 μm或8 μm的条纹生长成为了研究的瓶颈，在这种间距范围下，观测显得尤为重要。

种子液浓度比例为1∶1时，7 μm间距、15 s提拉停留时间的条件下，条纹出现相互粘连的现象，10 s时个别区域出现粘连，其余提拉停留时间的条纹均清晰、整齐，而8 μm间距下的全部条带均清晰、整齐，无粘连现象出现。

种子液浓度比例为1∶2时，7 μm和8 μm间距的条纹在3 s、4 s和5 s提拉停留时间的条件下出现有粉状毛刺的边界，其余提拉停留时间的条纹都清晰、整齐，无粘连现象出现。

种子液浓度比例为1∶3时，7 μm和8 μm间距的条纹在3s、4 s和5 s提拉停留时间的条件下出现没有条带或者条带模糊的现象，但在7 μm、15 s提拉停留时间的条件下出现了粘连现象，其余提拉停留时间的条纹都清晰、整齐，8 μm间距下其余提拉停留时间的条纹都清晰、整齐，无粘连现象出现。

4 结束语

在恒温和变温水浴环境下，利用溶液法在玻璃衬底上生长出氧化锌纳米线阵列微米条带，并对氧化锌纳米线微米条带结构的尺寸可控生长进行了研究。对每一批次的样品进行了图像对比，找出可不同条件下的不同之处，逐步对各个实验条件对样品条纹的影响作用有了大致了解。在相同浓度比例的条件下，生长获得的氧化锌纳米线阵列微米条带宽度是随提拉停留时间的缩短而变窄的。随着条带间距的缩小，阵列微米条带相互间的不稳定性提升。在浓度比例减小的情况下，氧化锌纳米线阵列微米条带的宽度和稳定性都会变化。在这些实验中，我们了解到了氧化锌纳米线阵列微米条带结构尺寸的可控生长机制。

参考文献

[1]张立德，牟季美.材料和纳米结构[M].北京：科学出版社，2001.

[2]唐天同，王兆宏.微纳加工科学原理[M].北京：电子工业出版社，2010.

〔编辑：张思楠〕