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基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料及其制备与应用方法
申请号	CN201410274020.8	申请日	2014-06-18	公开(公告)号	CN104009112A	公开(公告)日	2014-08-27
申请人	清华大学;			发明人	郭挺; 林元华; 南策文;
摘要	本发明属于材料科学领域，特别涉及一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料及其制备与应用方法。本发明基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料是通过在NiO 纳米线的表面制备ZnO 纳米棒阵列来获得的。具体的制备过程包括：利用静电纺丝法制备NiO纳米线、在NiO纳米线的表面种植ZnO晶种、利用水热法使得ZnO晶种发育生长、样品烧结。实验结果表明基于本发明基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料的紫外光传感器在波长为365nm、强度为400mW/cm2的紫外光的照射下具有很高的光响应电流，电流强度能够达到毫安等级(大约3.5mA)。同时其光响应电流的强度可以通过紫外光的强度来调节，证明其是一种具有广阔应用前景的新型紫外光传感器。
权利要求	1.一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料，其特征在于:所述纳米复合结构材料以NiO 纳米线为主干，在NiO纳米线主干上制备多个ZnO 纳米棒作为毛刺，NiO纳米线主干和多个ZnO纳米棒毛刺组成毛刷状的基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料。 2.根据权利要求1所述的一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料，其特征在于:所述NiO纳米线的直径为50nm〜I μ m。 3.根据权利要求1所述的一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料，其特征在于:所述ZnO纳米棒的直径为20nm〜500nm。 4.根据权利要求1所述的一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料，其特征在于:所述ZnO纳米棒的长径比为1: (I〜50)。 5.如权利要求1〜4任意一项权利要求所述的一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料的制备方法，其特征在于:首先采用静电纺丝法制备NiO纳米线，再通过水热合成法在NiO纳米线上制备ZnO纳米棒从而获得基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料。 6.如权利要求1〜4任意一项权利要求所述的一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料的应用方法，其特征在于:所述基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料用于制备紫外光传感器。 7.根据权利要求6所述的一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料的应用方法，其特征在于，所述紫外光传感器的制备方法为:将基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料转移到平面叉指电极上，通过热压烧结从而获得紫外光传感器。
说明书全文	基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料及其制备与应用方法技术领域 [0001] 本发明属于材料科学领域,特别涉及一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料及其制备与应用方法。背景技术 [0002] 纳米材料是指其结构单元的尺寸介于Inm〜IOOnm范围之间的材料。由于其尺寸已经接近电子的相干长度，由于强相干所带来的自组织使得其性质将发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大的表面效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。近年来半导体纳米结构材料在纳米器件领域发挥着重要的作用，半导体纳米材料的制备技术也突飞猛进。目前人们已经探索出多种用于制备半导体纳米线和纳米棒的工艺方法。 [0003] ZnO 一维纳米结构不仅具有ZnO宽禁带和高激子束缚能等优点，还同时具有一维纳米材料的各种特性。因此基于ZnO —维纳米结构而制作的电子器件在光电子领域具有巨大的应用前景。近年来ZnO—维纳米结构材料已经被广泛应用于各种纳米电子器件，其中包括发光二极管、场效应晶体管、激光器、各种类型的传感器和太阳能电池等。近年来利用不同结构的一维纳米尺度材料来搭建三维纳米复合结构材料已经成为热点。与普通的纳米结构材料相比，这种结构材料具有非常大的比表面积，并且能够融合不同纳米结构材料的优点。因此其在电子和光电器件领域具有巨大的应用潜力。另外，由于其固有的可控空间分别和各向异性，这些结构将能够产生独特的物理性能。ZnO纳米线对紫外光具有非常好的响应性能。研究表明其比表面积对于其紫外光传感性能具有重要的影响，比表面积越大其紫外光传感性能越优异。同时当结构中存在PN 异质结时，PN异质结能够促进光响应电流。发明内容 [0004] 针对现有技术不足，本发明提供了一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料及其制备与应用方法。 [0005] 一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料，所述纳米复合结构材料以NiO纳米线为主干，在NiO纳米线主干上制备多个ZnO纳米棒作为毛刺，NiO纳米线主干和多个ZnO纳米棒毛刺组成毛刷状的基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料。 [0006] 所述NiO纳米线的直径为50nm〜I μ m。 [0007] 所述ZnO纳米棒的直径为20nm〜500nm。 [0008] 所述ZnO纳米棒的长径比为1: (I〜50)。 [0009] 一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料的制备方法，首先采用静电纺丝法制备NiO纳米线,再通过水热合成法在NiO纳米线上制备ZnO纳米棒从而获得基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料。 [0010] 一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料的应用方法，所述基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料用于制备紫外光传感器。[0011] 所述紫外光传感器的制备方法为:将基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料转移到平面叉指电极上，通过热压烧结从而获得紫外光传感器。 [0012] 本发明的有益效果为: [0013] 本发明所制备的纳米复合结构具有非常大的比表面积，并且其结构中含有PN结。以往基于ZnO纳米线所制备出的紫外光传感器的光响应电流都不是很大，这就使得其在应用的时候受到了一些限制。比如需要采用比较高精密度的测试仪器来测试其微弱的信号，测试成本将会被提高。和以往的紫外光传感器相比，本发明所制备的紫外光传感器具有很大的光响应电流。在波长为365nm、强度为400mW/cm2的紫外光的照射下具有很高的光响应电流，电流强度能够达到毫安等级(大约3.5mA)。同时其光响应电流的强度可以通过紫外光的强度来调节。附图说明 [0014] 图1为本发明实施例1中所得基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料的SEM图； [0015] 图2a为本发明实施例1中所得NiO纳米线的XRD图，图2b为本发明实施例1中所得于ZnO和NiO的纳米复合结构材料的XRD图； [0016] 图3为本发明实施例1中所得紫外光传感器的1-V曲线； [0017] 图4为本发明实施例1中所得紫外光传感器在不同紫外光强度下的光电流响应曲线.[0018] 图5为本发明实施例1中所得紫外光传感器的光响应电流在光照和非光照条件下随时间变化的曲线。具体实施方式 [0019] 本发明提供了一种基于ZnO和NiO的纳米复合结构材料及其制备与应用方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。 [0020] 实施例1 [0021] NiO纳米线的制备: [0022] 在搅拌的条件下将0.45g Ni (Ac)2.4H20缓慢加入到IOmL的乙醇中，然后再加入0.Sg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末，形成前驱体溶胶。随后将所得前驱体溶胶转入IOmL的塑料注射器中用于静电纺丝。在静电纺丝的过程中，针头和接收器(锡纸覆盖)之间的距离保持在12cm，所加的直流电压为12kV，给料速度控制在0.8mL/h。制备完毕后，将在锡纸上得到一小块PVP-Ni (Ac)2复合物厚膜。把所得复合物厚膜从锡纸转移到含有叉指电极的Si基片上。随后，将其在100°C 温度下热压Imin以实现复合物厚膜与Si基片之间的良好粘附。最后将粘附有复合物厚膜的Si基片放入烧结炉中在550°C温度下烧结3h，在有机物完全挥发后将得到纯的NiO纳米线，将此时所得的样品标记为NiO-Si。 [0023] ZnO晶种溶液的制备: [0024] 选择异丙醇作为有机溶剂，将1.1Og Zn(Ac)2.2H20溶解在50mL的异丙醇中，并在70°C下搅拌lOmin，制备得到浓度为lOOmmol/L的Zn(Ac)2.2Η20有机溶液。随后将700 μ L的三乙胺缓慢滴加到所得有机溶液中，继续在70°C下搅拌12min，得到ZnO晶种溶液。 [0025] ZnO生长溶液的制备:[0026] 利用等摩尔量的Zn (NO3) 2.6H20与C6H12N4来制备ZnO生长溶液。首先将I.4gC6H12N4溶解在IOOmL的去离子水中，在50°C下充分搅拌30min，制备得到浓度为lOOmmol/L的C6H12N4水溶液。随后在室温下，将3g Zn (NO3) 2.6H20添加到所得C6H12N4水溶液中，室温下继续搅拌4h，最终得到ZnO的生长溶液。 [0027] 将NiO-Si在ZnO晶种溶液中浸泡8min (晶种种植过程)。随后将NiO-Si取出，浸入去离子水中轻轻浸泡清洗。再将其放入烧结炉中，在350°C温度下烧结2h以促进Si片表面ZnO晶种的结晶。随后，将Si片放入ZnO生长溶液中，在95°C温度下水热反应8h(晶种的生长过程)。最后用去离子水轻轻洗涤并在350°C温度下再次烧结2h。利用吉时利2410数字电源表和紫外LED(365nm，最大发光强度400mW/cm2)来测试传感器的光电性能。 [0028] 实施例2 [0029] NiO纳米线的制备: [0030] 在搅拌的条件下将0.45g Ni (Ac)2.4H20缓慢加入到IOmL的乙醇中，然后再加入1.6g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末，形成前驱体溶胶。随后将所得前驱体溶胶转入IOmL的塑料注射器中用于静电纺丝。在静电纺丝的过程中，针头和接收器(锡纸覆盖)之间的距离保持在12cm，所加的直流电压为12kV，给料速度控制在0.8mL/h。制备完毕后，将在锡纸上得到一小块PVP-Ni (Ac) 2复合物厚膜。把所得复合物厚膜从锡纸转移到含有叉指电极的Si基片上。随后，将其在100°C温度下热压Imin以实现复合物厚膜与Si基片之间的良好粘附。最后将粘附有复合物厚膜的Si基片放入烧结炉中在550°C温度下烧结3h，在有机物完全挥发后将得到纯的NiO纳米线，将此时所得的样品标记为NiO-Si。 [0031] ZnO晶种溶液的制备: [0032] 选择异丙醇作为有机溶剂，将1.1Og Zn(Ac)2.2H20溶解在50mL的异丙醇中，并在70°C下搅拌lOmin，制备得到浓度为lOOmmol/L的Zn(Ac)2.2Η20有机溶液。随后将700 μ L的三乙胺缓慢滴加到所得有机溶液中，继续在70°C下搅拌12min，得到ZnO晶种溶液。 [0033] ZnO生长溶液的制备: [0034] 利用等摩尔量的Zn (NO3) 2.6H20与C6H12N4来制备ZnO生长溶液。首先将I.4gC6H12N4溶解在IOOmL的去离子水中，在50°C下充分搅拌30min，制备得到浓度为lOOmmol/L的C6H12N4水溶液。随后在室温下，将3g Zn (NO3) 2.6H20添加到所得C6H12N4水溶液中，室温下继续搅拌4h，最终得到ZnO的生长溶液。 [0035] 将NiO-Si在ZnO晶种溶液中浸泡8min (晶种种植过程)。随后将NiO-Si取出，浸入去离子水中轻轻浸泡清洗。再将其放入烧结炉中，在350°C温度下烧结2h以促进Si片表面ZnO晶种的结晶。随后，将Si片放入ZnO生长溶液中，在95°C温度下水热反应8h(晶种的生长过程)。最后用去离子水轻轻洗涤并在350°C温度下再次烧结2h。利用吉时利2410数字电源表和紫外LED(365nm，最大发光强度400mW/cm2)来测试传感器的光电性能。 [0036] 实施例3 [0037] NiO纳米线的制备: [0038] 在搅拌的条件下将0.45g Ni (Ac)2.4H20缓慢加入到IOmL的乙醇中，然后再加入0.Sg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末，形成前驱体溶胶。随后将所得前驱体溶胶转入IOmL的塑料注射器中用于静电纺丝。在静电纺丝的过程中，针头和接收器(锡纸覆盖)之间的距离保持在12cm，所加的直流电压为12kV，给料速度控制在0.8mL/h。制备完毕后，将在锡纸上得到一小块PVP-Ni (Ac)2复合物厚膜。把所得复合物厚膜从锡纸转移到含有叉指电极的Si基片上。随后，将其在100°C温度下热压Imin以实现复合物厚膜与Si基片之间的良好粘附。最后将粘附有复合物厚膜的Si基片放入烧结炉中在550°C温度下烧结3h，在有机物完全挥发后将得到纯的NiO纳米线，将此时所得的样品标记为NiO-Si。 [0039] ZnO晶种溶液的制备: [0040] 选择异丙醇作为有机溶剂，将1.1Og Zn(Ac)2.2H20溶解在50mL的异丙醇中，并在50°C下搅拌lOmin，制备得到浓度为lOOmmol/L的Zn(Ac)2.2Η20有机溶液。随后将700 μ L的三乙胺缓慢滴加到所得有机溶液中，继续在50°C下搅拌12min，得到ZnO晶种溶液。 [0041] ZnO生长溶液的制备: [0042] 利用等摩尔量的Zn (NO3) 2.6H20与C6H12N4来制备ZnO生长溶液。首先将I.4gC6H12N4溶解在IOOmL的去离子水中，在50°C下充分搅拌30min，制备得到浓度为lOOmmol/L的C6H12N4水溶液。随后在室温下，将3g Zn (NO3) 2.6H20添加到所得C6H12N4水溶液中，室温下继续搅拌4h，最终得到ZnO的生长溶液。 [0043] 将NiO-Si在ZnO晶种溶液中浸泡8min (晶种种植过程)。随后将NiO-Si取出，浸入去离子水中轻轻浸泡清洗。再将其放入烧结炉中，在350°C温度下烧结2h以促进Si片表面ZnO晶种的结晶。随后，将Si片放入ZnO生长溶液中，在95°C温度下水热反应8h(晶种的生长过程)。最后用去离子水轻轻洗涤并在350°C温度下再次烧结2h。利用吉时利2410数字电源表和紫外LED(365nm，最大发光强度400mW/cm2)来测试传感器的光电性能。 [0044] 实施例4 [0045] NiO纳米线的制备: [0046] 在搅拌的条件下将0.45g Ni (Ac)2.4H20缓慢加入到IOmL的乙醇中，然后再加入0.Sg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末，形成前驱体溶胶。随后将所得前驱体溶胶转入IOmL的塑料注射器中用于静电纺丝。在静电纺丝的过程中，针头和接收器(锡纸覆盖)之间的距离保持在12cm，所加的直流电压为12kV，给料速度控制在0.8mL/h。制备完毕后，将在锡纸上得到一小块PVP-Ni (Ac) 2复合物厚膜。把所得复合物厚膜从锡纸转移到含有叉指电极的Si基片上。随后，将其在100°C温度下热压Imin以实现复合物厚膜与Si基片之间的良好粘附。最后将粘附有复合物厚膜的Si基片放入烧结炉中在550°C温度下烧结3h，在有机物完全挥发后将得到纯的NiO纳米线，将此时所得的样品标记为NiO-Si。 [0047] ZnO晶种溶液的制备: [0048] 选择异丙醇作为有机溶剂，将1.1Og Zn(Ac)2.2H20溶解在50mL的异丙醇中，并在70°C下搅拌lOmin，制备得到浓度为lOOmmol/L的Zn(Ac)2.2Η20有机溶液。随后将700 μ L的三乙胺缓慢滴加到所得有机溶液中，继续在70°C下搅拌5min，得到ZnO晶种溶液。 [0049] ZnO生长溶液的制备: [0050] 利用等摩尔量的Zn (NO3) 2.6H20与C6H12N4来制备ZnO生长溶液。首先将I.4gC6H12N4溶解在IOOmL的去离子水中，在50°C下充分搅拌30min，制备得到浓度为lOOmmol/L的C6H12N4水溶液。随后在室温下，将3g Zn (NO3) 2.6H20添加到所得C6H12N4水溶液中，室温下继续搅拌4h，最终得到ZnO的生长溶液。 [0051] 将NiO-Si在ZnO晶种溶液中浸泡8min (晶种种植过程)。随后将NiO-Si取出，浸入去离子水中轻轻浸泡清洗。再将其放入烧结炉中，在350°C温度下烧结2h以促进Si片表面ZnO晶种的结晶。随后，将Si片放入ZnO生长溶液中，在95°C温度下水热反应8h(晶种的生长过程)。最后用去离子水轻轻洗涤并在350°C温度下再次烧结2h。利用吉时利2410数字电源表和紫外LED(365nm，最大发光强度400mW/cm2)来测试传感器的光电性能。 [0052] 实施例5 [0053] NiO纳米线的制备: [0054] 在搅拌的条件下将0.45g Ni (Ac)2.4H20缓慢加入到IOmL的乙醇中，然后再加入0.Sg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末，形成前驱体溶胶。随后将所得前驱体溶胶转入IOmL的塑料注射器中用于静电纺丝。在静电纺丝的过程中，针头和接收器(锡纸覆盖)之间的距离保持在12cm，所加的直流电压为12kV，给料速度控制在0.8mL/h。制备完毕后，将在锡纸上得到一小块PVP-Ni (Ac) 2复合物厚膜。把所得复合物厚膜从锡纸转移到含有叉指电极的Si基片上。随后，将其在100°C温度下热压Imin以实现复合物厚膜与Si基片之间的良好粘附。最后将粘附有复合物厚膜的Si基片放入烧结炉中在550°C温度下烧结3h，在有机物完全挥发后将得到纯的NiO纳米线，将此时所得的样品标记为NiO-Si。 [0055] ZnO晶种溶液的制备: [0056] 选择异丙醇作为有机溶剂,将1.1Og Zn (Ac) 2.2H20溶解在50mL的异丙醇中，并在70°C下搅拌lOmin，制备得到浓度为lOOmmol/L的Zn(Ac)2.2Η20有机溶液。随后将700 μ L的三乙胺缓慢滴加到所得有机溶液中，继续在70°C下搅拌12min，得到ZnO晶种溶液。 [0057] ZnO生长溶液的制备: [0058] 利用等摩尔量的Zn(NO3)2.6Η20与C6H12N4来制备ZnO生长溶液。首先将1.6gC6H12N4溶解在IOOmL的去离子水中，在50°C下充分搅拌30min，制备得到浓度为lOOmmol/L的C6H12N4水溶液。随后在室温下，将3g Zn (NO3) 2.6H20添加到所得C6H12N4水溶液中，室温下继续搅拌4h，最终得到ZnO的生长溶液。 [0059] 将NiO-Si在ZnO晶种溶液中浸泡8min (晶种种植过程)。随后将NiO-Si取出，浸入去离子水中轻轻浸泡清洗。再将其放入烧结炉中，在350°C温度下烧结2h以促进Si片表面ZnO晶种的结晶。随后，将Si片放入ZnO生长溶液中，在95°C温度下水热反应8h(晶种的生长过程)。最后用去离子水轻轻洗涤并在350°C温度下再次烧结2h。利用吉时利2410数字电源表和紫外LED(365nm，最大发光强度400mW/cm2)来测试传感器的光电性能。 [0060] 实施例6 [0061] NiO纳米线的制备: [0062] 在搅拌的条件下将0.45g Ni (Ac)2.4H20缓慢加入到IOmL的乙醇中，然后再加入0.Sg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末，形成前驱体溶胶。随后将所得前驱体溶胶转入IOmL的塑料注射器中用于静电纺丝。在静电纺丝的过程中，针头和接收器(锡纸覆盖)之间的距离保持在12cm，所加的直流电压为12kV，给料速度控制在0.8mL/h。制备完毕后，将在锡纸上得到一小块PVP-Ni (Ac)2复合物厚膜。把所得复合物厚膜从锡纸转移到含有叉指电极的Si基片上。随后，将其在100°C温度下热压Imin以实现复合物厚膜与Si基片之间的良好粘附。最后将粘附有复合物厚膜的Si基片放入烧结炉中在550°C温度下烧结3h，在有机物完全挥发后将得到纯的NiO纳米线，将此时所得的样品标记为NiO-Si。 [0063] ZnO晶种溶液的制备: [0064] 选择异丙醇作为有机溶剂,将1.1Og Zn (Ac) 2.2H20溶解在50mL的异丙醇中，并在70°C下搅拌lOmin，制备得到浓度为lOOmmol/L的Zn(Ac)2.2Η20有机溶液。随后将700 μ L的三乙胺缓慢滴加到所得有机溶液中，继续在70°C下搅拌12min，得到ZnO晶种溶液。 [0065] ZnO生长溶液的制备: [0066] 利用等摩尔量的Zn (NO3) 2.6H20与C6H12N4来制备ZnO生长溶液。首先将I.4gC6H12N4溶解在IOOmL的去离子水中，在50°C下充分搅拌30min，制备得到浓度为lOOmmol/L的C6H12N4水溶液。随后在室温下，将3g Zn (NO3) 2.6H20添加到所得C6H12N4水溶液中，室温下继续搅拌3h，最终得到ZnO的生长溶液。 [0067] 将NiO-Si在ZnO晶种溶液中浸泡8min (晶种种植过程)。随后将NiO-Si取出，浸入去离子水中轻轻浸泡清洗。再将其放入烧结炉中，在350°C温度下烧结2h以促进Si片表面ZnO晶种的结晶。随后，将Si片放入ZnO生长溶液中，在95°C温度下水热反应8h(晶种的生长过程)。最后用去离子水轻轻洗涤并在350°C温度下再次烧结2h。利用吉时利2410数字电源表和紫外LED(365nm，最大发光强度400mW/cm2)来测试传感器的光电性能。

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