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摘 要：用简单的气相输运方法，在温度为900 ℃的条件下首次合成了滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体，并对其结构和形貌分别进行了表征。
关键词：气相输运；滚筒刷状；ZnO纳米结构宏观体
中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）05-0042-02
ZnO是一种宽禁带半导体，因具有较大的激子束缚能，在光电子器件有较大的应用潜力。最近出现的纳米环、纳米带、纳米花、纳米桥、纳米塔等不同形貌的纳米结构成为研究的热点。但是这些ZnO纳米结构长度一般情况下都在纳米和微米级别的，对样品进行分离比较困难，而且在纳米结构的表征方面操作复杂且受到微电子工艺发展水平的限制，致使准一维纳米尺寸的纳米结构难以得到广泛的应用。因此合成纳米结构宏观体成为半导体纳米结构制备研究领域的热点之一。
超长碳纳米管宏观体的成功制备使得研究人员对纳米结构宏观体的研究产生了兴趣，张等人制备出的ZnO梳、ZnO纳米带、ZnO树枝等纳米结构宏观体。但是到目前为止，我们通过气相输运法制备出滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体还是首次报道。
在本文中，我们在温度为900 ℃条件下，利用气相输运方法首次在硅衬底上制备了滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体，XRD的表征结果表明所制备的样品为六方纤锌矿结构的ZnO相。样品的SEM表征表明其形貌为滚筒刷状，其由长度约为3 mm的主干和二级的刷齿组成，刷齿的顶部呈阶梯状。
1 制备过程
我们的样品是在水平管式纳米材料生长炉中制备的，利用气相输运法成功合成了宏观的滚筒刷状的ZnO纳米结构。生长源材料为以质量比3∶3∶1混合的ZnO粉，石墨粉和氧化铜粉，并加入适量无水乙醇搅拌，超声，烘干并研磨成粉末。我们实验所用的载气为氮气，将源材料放在石英舟上，再将石英舟放在纳米材料生长炉中的小口径管的某个位置。其具体的制备工艺步骤如下：
①将单晶硅片进行超声清洗并凉干，作为衬底用。
②以1 500 sccm 的流量向水平放置的纳米材料生长炉内充入氮气，并将炉子加热到900 ℃。
③将混合好的源材料放到一个石英舟里，将硅片作为衬底放于石英舟槽内，硅片与源的垂直距离为2 cm。
④再将石英舟放于水平管式炉中间位置，管内温度保持在900 ℃，保持生长的时间为30 min。
⑤随后将氮气的气流流量变为1 000 sccm，管内温度继续保持在900 ℃，生长时间为40 min。
生长结束后，打开生长炉取出石英舟，我们得到了白色半透明羊绒状的样品。
2 实验结果与讨论
2.1 结构表征
2.2 形貌表征
图2为用一次性针管剥离出来的单根的ZnO滚筒刷的SEM图。我们从图2（a）中可以看出，滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体是由一个大约3 mm长的主干和很多规则整齐排列的二级分支（即刷齿）组成。因为刷齿排列相当的紧密，所以我们根本无法看到其中的主干。图2（b）为滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体的放大后的二级分支即刷齿的SEM图，从图2中我们可以清晰的看到，刷齿交叉排列，而且在长度上是差不多均匀一致的，约为0.5 mm。从图中我们还可以看出刷齿有的顶部有分支，所分出的三级分支与二级分支垂直。有的刷齿的顶部呈梯状。这表明了说明刷齿受生长条件的影响生长方向发生了变化。图2（c）为图2（b）放大后的刷齿顶部呈阶梯状的SEM图，其顶部没有分支，呈台阶状。图2（d）为图2（b）进一步放大后的刷齿顶部有个别分支的SEM图。我们可以清晰看到有的刷齿有两个基本上相互垂直的分支，分支后的顶部呈阶梯状。从图中还可以看出刷齿的主干呈六棱柱形，它的直径大约为5～10 μm，至于为何呈现图2（d）中刷齿顶部的分支，需要我们进一步做实验进行研究探讨。
3 结 语
我们利用简单的气相输运的方法，将温度控制在900 ℃，通过改变氮气的气流量，在硅衬底上成功的合成了滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体，并对其结构和形貌进行了表征。XRD的表征结果表明所制备的样品为六方纤锌矿结构的ZnO相。通过对样品的SEM表征表明其形貌为滚筒刷状，其又长度约为3 mm的主干和二级的刷齿组成，刷齿的顶部呈阶梯状，有的刷齿顶部还有垂直分支。
参考文献：
[1] X. Y. Kong，Y. Ding，R. Yang，Z. L. Wang.Single-Crystal Nanorings Formed by Epitaxial Self-Coiling of Polar Nanobelts[J].Science，2004，（303）：1348-1351.
[2] Z. W. Pan，Z. R. Dai，Z. L. Wang.Nanobelts of Semicond-
ucting Oxides[J].Science，2001，（291）：1947-1949.
[3] X. H. Sun，S. Lam，T. K .Sham，et al.Synthesis and Synch-
rotron Light-Induced Luminescence of ZnO Nanostructures：Nanowires，Nanoneedles，Nanoflowers，and Tubular Whiskers [J].J.Phys.Chem.B，2005，（109）：3120-3125.
[4]J.Y. Lao，J.Y. Huang，D.Z. Wang，et al.ZnO Nanobridges and Nanonails[J].Nano.Lett.2003，（3）：235-238.
[5] F. Xu，K. Yu，Q. Li，et al.Two-Dimensional Growth and Field Emission Properties of ZnO Microtowers[J].J.Phys.Chem.C，2007，（111）：4099-4104.
[6] K. Cheng，G. Cheng，S. J. Wang，et al.Surface states domin-
ative Au Schottky contact on vertical aligned ZnO nanorod arrays synthesized by low-temperature growth[J].New J.Phys，2007，（9）：214-222.
[7] H. W. Zhu，C. L. Xu，D. H. Wu，et al.Direct Synthesis of Long Single-Walled Carbon Nanotube Strands[J].Science，2002，（296）：884-886.
[8] 张宁.宏观化ZnO纳米结构的制备及应用[D].上海：华东师范大学，2007.
关键词：气相输运；滚筒刷状；ZnO纳米结构宏观体
中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）05-0042-02
ZnO是一种宽禁带半导体，因具有较大的激子束缚能，在光电子器件有较大的应用潜力。最近出现的纳米环、纳米带、纳米花、纳米桥、纳米塔等不同形貌的纳米结构成为研究的热点。但是这些ZnO纳米结构长度一般情况下都在纳米和微米级别的，对样品进行分离比较困难，而且在纳米结构的表征方面操作复杂且受到微电子工艺发展水平的限制，致使准一维纳米尺寸的纳米结构难以得到广泛的应用。因此合成纳米结构宏观体成为半导体纳米结构制备研究领域的热点之一。
超长碳纳米管宏观体的成功制备使得研究人员对纳米结构宏观体的研究产生了兴趣，张等人制备出的ZnO梳、ZnO纳米带、ZnO树枝等纳米结构宏观体。但是到目前为止，我们通过气相输运法制备出滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体还是首次报道。
在本文中，我们在温度为900 ℃条件下，利用气相输运方法首次在硅衬底上制备了滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体，XRD的表征结果表明所制备的样品为六方纤锌矿结构的ZnO相。样品的SEM表征表明其形貌为滚筒刷状，其由长度约为3 mm的主干和二级的刷齿组成，刷齿的顶部呈阶梯状。
1 制备过程
我们的样品是在水平管式纳米材料生长炉中制备的，利用气相输运法成功合成了宏观的滚筒刷状的ZnO纳米结构。生长源材料为以质量比3∶3∶1混合的ZnO粉，石墨粉和氧化铜粉，并加入适量无水乙醇搅拌，超声，烘干并研磨成粉末。我们实验所用的载气为氮气，将源材料放在石英舟上，再将石英舟放在纳米材料生长炉中的小口径管的某个位置。其具体的制备工艺步骤如下：
①将单晶硅片进行超声清洗并凉干，作为衬底用。
②以1 500 sccm 的流量向水平放置的纳米材料生长炉内充入氮气，并将炉子加热到900 ℃。
③将混合好的源材料放到一个石英舟里，将硅片作为衬底放于石英舟槽内，硅片与源的垂直距离为2 cm。
④再将石英舟放于水平管式炉中间位置，管内温度保持在900 ℃，保持生长的时间为30 min。
⑤随后将氮气的气流流量变为1 000 sccm，管内温度继续保持在900 ℃，生长时间为40 min。
生长结束后，打开生长炉取出石英舟，我们得到了白色半透明羊绒状的样品。
2 实验结果与讨论
2.1 结构表征
2.2 形貌表征
图2为用一次性针管剥离出来的单根的ZnO滚筒刷的SEM图。我们从图2（a）中可以看出，滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体是由一个大约3 mm长的主干和很多规则整齐排列的二级分支（即刷齿）组成。因为刷齿排列相当的紧密，所以我们根本无法看到其中的主干。图2（b）为滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体的放大后的二级分支即刷齿的SEM图，从图2中我们可以清晰的看到，刷齿交叉排列，而且在长度上是差不多均匀一致的，约为0.5 mm。从图中我们还可以看出刷齿有的顶部有分支，所分出的三级分支与二级分支垂直。有的刷齿的顶部呈梯状。这表明了说明刷齿受生长条件的影响生长方向发生了变化。图2（c）为图2（b）放大后的刷齿顶部呈阶梯状的SEM图，其顶部没有分支，呈台阶状。图2（d）为图2（b）进一步放大后的刷齿顶部有个别分支的SEM图。我们可以清晰看到有的刷齿有两个基本上相互垂直的分支，分支后的顶部呈阶梯状。从图中还可以看出刷齿的主干呈六棱柱形，它的直径大约为5～10 μm，至于为何呈现图2（d）中刷齿顶部的分支，需要我们进一步做实验进行研究探讨。
3 结 语
我们利用简单的气相输运的方法，将温度控制在900 ℃，通过改变氮气的气流量，在硅衬底上成功的合成了滚筒刷状的ZnO纳米结构宏观体，并对其结构和形貌进行了表征。XRD的表征结果表明所制备的样品为六方纤锌矿结构的ZnO相。通过对样品的SEM表征表明其形貌为滚筒刷状，其又长度约为3 mm的主干和二级的刷齿组成，刷齿的顶部呈阶梯状，有的刷齿顶部还有垂直分支。
参考文献：
[1] X. Y. Kong，Y. Ding，R. Yang，Z. L. Wang.Single-Crystal Nanorings Formed by Epitaxial Self-Coiling of Polar Nanobelts[J].Science，2004，（303）：1348-1351.
[2] Z. W. Pan，Z. R. Dai，Z. L. Wang.Nanobelts of Semicond-
ucting Oxides[J].Science，2001，（291）：1947-1949.
[3] X. H. Sun，S. Lam，T. K .Sham，et al.Synthesis and Synch-
rotron Light-Induced Luminescence of ZnO Nanostructures：Nanowires，Nanoneedles，Nanoflowers，and Tubular Whiskers [J].J.Phys.Chem.B，2005，（109）：3120-3125.
[4]J.Y. Lao，J.Y. Huang，D.Z. Wang，et al.ZnO Nanobridges and Nanonails[J].Nano.Lett.2003，（3）：235-238.
[5] F. Xu，K. Yu，Q. Li，et al.Two-Dimensional Growth and Field Emission Properties of ZnO Microtowers[J].J.Phys.Chem.C，2007，（111）：4099-4104.
[6] K. Cheng，G. Cheng，S. J. Wang，et al.Surface states domin-
ative Au Schottky contact on vertical aligned ZnO nanorod arrays synthesized by low-temperature growth[J].New J.Phys，2007，（9）：214-222.
[7] H. W. Zhu，C. L. Xu，D. H. Wu，et al.Direct Synthesis of Long Single-Walled Carbon Nanotube Strands[J].Science，2002，（296）：884-886.
[8] 张宁.宏观化ZnO纳米结构的制备及应用[D].上海：华东师范大学，2007.