超细氧化锌纳米线阵列的无催化剂可控制备#
 

摘要：本文使用无催化剂热蒸发法，在ZnO/Si 薄膜衬底上得到了垂直生长的超细ZnO 纳米线阵列。发现制备所用的氧气流量对产物形貌有很大影响，据此将ZnO 纳米线的生长归结为自催化气-液-固机制：Zn 蒸气在ZnO 薄膜衬底表面形成的Zn/ZnOx 液滴作为催化剂引起了ZnO 纳米线的生长。根据经典形核理论分析，提出Zn 蒸气过饱和度可以用来控制ZnO 纳米线的直径。通过控制制备所用的氧气流量进而控制Zn 蒸气过饱和度，实现了ZnO 纳米线直径在约12 nm~31 nm 范围内的调控。
 

关键词：材料物理与化学；氧化锌纳米线；无催化剂；可控制备

0 引言
ZnO 是一种宽禁带（3.37eV）、多功能半导体材料。其室温下的激子束缚能高达60meV，且具有良好的热稳定性和可见光透明度，这使得它成为热门的紫外光电子器件材料。一维ZnO 纳米结构如ZnO 纳米线、纳米棒等在高性能紫外纳米激光器[1]、发光二极管[2, 3]、传感器[4, 5]及太阳能电池[6]等领域都有潜在的应用前景，因此激发了人们广泛的研究热潮。纳米线阵列一般是指将大量的纳米线在某个衬底上垂直于衬底表面排列形成的阵列结构。在各种ZnO 一维纳米结构中，ZnO 纳米线阵列受到了格外多的关注，也被研究的最多。这是因为阵列结构可以集合单根纳米线优异的物理化学性能，构建出微米级到宏观尺寸的器件，使所有纳米线一起工作发挥更大的作用。

很多制备方法，如金属催化气相输运法[1]、无催化剂热蒸发法[7]、金属有机化合物气相外延法[8]、水热法[9]等，都被用来制备ZnO 一维纳米结构。其中，无催化剂热蒸发法是一种被广泛使用的、简单低成本的制备方法。利用这种方法可以得到大批量的高结晶性的产物，且避免了金属催化剂的污染。2005 年，本研究组的王立晟等人[7]在不使用任何催化剂的情况下，利用热蒸发法在c 轴取向的ZnO 薄膜衬底上得到了垂直生长、排列整齐的ZnO 纳米线阵列。然而，ZnO 纳米线阵列的无催化剂制备的可控性仍较差。此外，为进一步提高纳米线的比表面积从而取得更优异的性能并探索可能的量子限域效应，制备直径在几纳米到十几纳米范围内的超细纳米线阵列是很有意义的[10-13]。然而，使用无催化剂热蒸发法制备超细ZnO 纳米线阵列并对其直径进行控制仍是个难题。
 

本文使用无催化剂热蒸发法制备得到了垂直生长的超细ZnO 纳米线阵列，并将其生长机制归结为自催化气-液-固（VLS）机制，进而提出并验证了利用氧气流量控制ZnO 纳米线直径的方法。

3 结论
本文使用无催化剂热蒸发法在ZnO/Si 薄膜衬底上得到了垂直生长的超细ZnO 纳米线阵列。通过分析，我们将ZnO 纳米线的生长归结为自催化VLS 机制：衬底表面形成的Zn/ZnOx液滴作为催化剂引起了ZnO 纳米线的生长。通过控制制备所用的氧气流量，实现了ZnO 纳米线直径在约12 nm~31 nm范围内的调控。

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