不同尺寸和阵列微结构的ZnO纳米线阵列的浸润性能

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1、http://www.paper.edu.cn不同尺寸和阵列微结构的ZnO纳米线阵列的浸润性能1,211121,2*张明艳，陈伟良，段月琴，别利剑，王达健，袁志好，1天津理工大学材料科学与工程学院纳米材料与技术研究中心，天津(300191)2天津市光电显示材料与器件重点实验室，天津(300191)E-mail：zhyuan@tsinghua.edu.cn，zhyuan@tjut.edu.cn摘要：本论文通过两步化学法制备出了不同尺寸、阵列微结构的ZnO纳米棒阵列，并测试了样品表面与水的接触角，着重研究了由ZnO纳米棒尺寸和阵列微结构的变化引起的浸润性的变化，同时

2、还对不同尺寸、阵列微结构的样品进行了紫外照射，发现，经过同样强度和时间的紫外照射后，不同尺寸的纳米线的浸润性的变化规律不同。尺寸和阵列微结构与浸润性的关系对能有效地控制ZnO纳米棒的浸润性起到了很有意义的作用。关键词：ZnO纳米阵列；功能材料；浸润性1引言ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅳ族宽禁带半导体材料，带隙3.37eV。具有优异的晶格、光电、压电及介电特性,无毒性,原料易得廉价。ZnO所具有的这些优异特性,可广泛应用于纳米激光[1][2][3][4][5]器，光电二极管，太阳能电池，生物传感器，光催化等。基于纳米ZnO的广泛应[6]用，ZnO纳米材料的浸润性也受到了

3、人们的广泛关注。Pesika等曾报道单晶ZnO表面具[7]有良好的亲水性,Sun等详细研究了由高温裂解制备得到的ZnO薄膜的润湿性,发现该膜用[8]紫外光照射一段时间后是高亲水性的。Feng等同样研究了具有c-轴取向的ZnO纳米线阵列经过紫外照射后超亲、疏水性的变化。目前，大多研究者集中在紫外照射或者包覆引起的ZnO表面浸润性的变化上，而对于由自身结构引起的浸润性的变化国内外还鲜有报道。据研究，固体表面浸润性主要取决于表面自由能和表面粗糙度，一般说来，表面自由能越低，固体物质表面与水的接触角越大；亲水性物质的粗糙度越大，亲水性就越强。因此，本论文通过改变ZnO纳

4、米线的尺寸和排列方式，就可以改变ZnO纳米线阵列的表面自由能和粗糙度，从而就有可能获得不同水浸润性的ZnO纳米材料,同时，我们还对不同尺寸和排列方式的ZnO纳米线做了UV照射，同样发现了一些有意义的结果，对能有效地控制ZnO纳米棒的浸润性起到了很有意义的作用。2实验部分2.1样品的制备本事验采用两步化学法制备ZnO纳米线阵列。第一步是ZnO纳米种的制备，根据Sakohara[9]等的配制方法，我们采用溶胶-凝胶的方法制备ZnO溶胶。首先称取5.40gZn(Ac)2·2H2O加入到250ml乙醇中，在90～100℃水浴中加热，待醋酸锌完全溶解后，继续沸腾30～60

5、min，使醋酸锌在乙醇中预水解生成Zn10O4(Ac)12；然后从水浴锅中取出已完全溶解的醋酸锌溶液，冷却至室温后加入1.47gLiOH·H2O超声约1h使其进一步水解形成ZnO溶胶；最后抽滤得到澄清稳定的ZnO溶胶。ZnO种子的溶胶制备好后，采用涂膜方法在玻璃或硅基底上形成一层均o匀ZnO纳米颗粒作为种子膜，然后将种子膜在300~500C的不同温度下热处理30~90min，间隔30min，通过不同的热处理条件，使ZnO种子具有不同的生长活性，从而引发ZnO纳米线阵列的生长。第二步是将具有不同生长活性的ZnO纳米颗粒的种子膜浸入含有硝酸锌和六次-1-http:/

6、/www.paper.edu.cn甲基四胺的溶液中，自催化外延生长ZnO纳米线阵列。2.2样品的测试与表征所制备样品分别进行了XRD（D/Max2500PC）结构分析、SEM（FE-SEM,JSM-6700F）形貌观察和水接触角（静滴接触角测量仪-JC2000C1）测量。3.结果与讨论3.1XRD表征图1.显示了所做ZnO纳米线阵列样品的XRD谱图，种子的热处理条件分别是oooo300C/30min、350C/30min、350C/90min、450C/90min。由XRD图可以看出，在不同的热处理条件下对种子进行处理，而后外延生长出来的ZnO纳米线阵列基本上符

7、合六方纤锌矿结构的ZnO，纳米线的生长主要沿着（001）极性晶面生长。0011001010450C/90min0350C/90min0350C/30min0300C/30min304050602theta图1.ZnO纳米线的XRD图谱Fig1.theXRDpatternsofZnOnanoarrays3.2尺寸和阵列微结构与浸润性的关系实验结果显示：ZnO纳米线的直径和阵列结构对种子膜的热处理温度和时间十分敏感，在温度相对较低如300℃下，ZnO纳米线基本上垂直于基底沿着c轴方向生长，排列整齐。随着种子热处理时间由30min、60min到90min不同,纳米线的

8、平均直径由二十四个纳米增