PL226486B1 - Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO - Google Patents
Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnOInfo
- Publication number
- PL226486B1 PL226486B1 PL402753A PL40275313A PL226486B1 PL 226486 B1 PL226486 B1 PL 226486B1 PL 402753 A PL402753 A PL 402753A PL 40275313 A PL40275313 A PL 40275313A PL 226486 B1 PL226486 B1 PL 226486B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- zno
- growth
- substrate
- layer
- reaction mixture
- Prior art date
Links
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 239000002061 nanopillar Substances 0.000 title abstract 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims abstract description 11
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 5
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 42
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 21
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 210000002257 embryonic structure Anatomy 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N zinc nitrate Chemical group [Zn+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 2-Aminoethan-1-ol Chemical compound NCCO HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 2-METHOXYETHANOL Chemical compound COCCO XNWFRZJHXBZDAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOIORXHNWRGPMV-UHFFFAOYSA-N acetic acid;zinc Chemical compound [Zn].CC(O)=O.CC(O)=O ZOIORXHNWRGPMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- HQWPLXHWEZZGKY-UHFFFAOYSA-N diethylzinc Chemical compound CC[Zn]CC HQWPLXHWEZZGKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001652 electrophoretic deposition Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910000000 metal hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004692 metal hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- YZYKBQUWMPUVEN-UHFFFAOYSA-N zafuleptine Chemical compound OC(=O)CCCCCC(C(C)C)NCC1=CC=C(F)C=C1 YZYKBQUWMPUVEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004246 zinc acetate Substances 0.000 description 1
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Przedmiotem wynalazku jest hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożu, zawierającym warstwę zarodkującą wzrost. W sposobie tym, warstwą zarodkującą wzrost jest warstwa ZnO, którą osadza się na podłożu w co najmniej jednym cyklu metodą osadzania warstw atomowych (ALD). Następnie podłoże z taką warstwą umieszcza w mieszaninie reakcyjnej o pH od 6,5 do 12, zawierającej co najmniej jeden prekursor tlenu, i co najmniej jeden prekursor cynku, temperaturę mieszaniny podnosi się powyżej 25°C, i przez co najmniej 1 sekundę prowadzi się wzrost nanosłupków ZnO.
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków tlenku cynku na podłożach pokrytych warstwą ZnO zarodkującą wzrost. Podłoża zawierające takie nanosłupki (czy nanostruktury) przeznaczone są do zastosowania w czujnikach pomiaru stężeń gazów i cieczy, w ogniwach fotowoltaicznych a także w przyrządach emisyjnych.
W literaturze opisane są różne sposoby wytwarzania nanosłupków ZnO.
Na przykład w publikacji: E. Wolska, B. S. Witkowski, M. Godlewski, ZnO Nanopowders by a Microwave Hydrothermal Method - Influence of the Precursor Type on Grain Sizes, Acta Physica Polonica A, Vol. 119, No.5, 2011, opisany jest wzrost nanostruktur ZnO w postaci nanoproszków metodą hydrotermalną wspomaganą mikrofalowo. W opisanym sposobie, nanoproszki takie otrzymuje się z mieszaniny reakcyjnej, zawierającej rozpuszczalnik oraz prekursory tlenu i cynku. Mieszaninę taką umieszcza się w reaktorze a następnie w warunkach podwyższonego ciśnienia i przy podwyższonej temperaturze prowadzi się wzrost. Wzrost zachodzi w całej objętości, a wytworzone struktury (nanoproszki) nie są przymocowane do żadnego podłoża, co utrudnia ich praktyczne wykorzystanie.
Z publikacji: Sang-Woo Kim, Shizuo Fujita, Shigeo Fujita, ZnO nanowires with high aspect ratios grown by metalorganic chemical vapor deposition using gold nanoparticles, Applied Physics Letters
86, 153119, 2005, znany jest sposób wytwarzania nanosłupków, w którym wzrost prowadzony jest metodą MOCVD (ang. Metal Organic Chemical Vapor Deposition). W sposobie tym, najpierw na krzemowe podłoże, metodą powlekania wirowego nanosi się z roztworu, nanocząstki złota. Nanocząstki złota stanowią katalizator dla wzrostu słupków ZnO zgodnie z mechanizmem wzrostu para - ciecz - ciało stałe (VLS) (ang. Vapour - Liquid - Solid). Następnie przy określonej szybkości przepływu gazów w komorze reakcyjnej, przy obniżonym ciśnieniu, w temperaturze ok. 550°C prowadzi się wzrost nanosłupków (nanocząstki złota płyną na froncie wzrostu).
Wytwarzanie nanosłupków metodą MOCVD wymaga dosyć złożonego układu, który zapewniałby precyzyjną kontrolę parametrów procesu.
W publikacji: Satoshi Yamabi and Hiroaki Imai, Growth conditions for wurtzite zinc oxide films in aqueous solutions, J. Mater. Chem., 2002, 12, 3773-3778 zawarty jest opis przygotowania warstwy zarodkującej do wzrostu nanosłupków ZnO na różnych podłożach poprzez przędzenie roztworu metoksyetanolu zawierającego dwuwodny octan cynku i monoetanoloaminę, a następnie wygrzewanie w temperaturze 60°C przez 24 godziny.
Z kolei z pracy: Ki-Woong Chae, Qifeng Zhang, Jeong Seog Kim, Yoon-Ha Jeong and Guozhong Cao, Low-temperature solution growth of ZnO nanotube arrays, Beilstein J. Nanotechnol. 2010, 1, 128-134 znany jest sposób wytwarzania nanosłupków, w którym najpierw na podłożu metodą osadzania elektroforetycznego wytwarza się zarodki ZnO a następnie podłoże z zarodkami wygrzewa się w temperaturze 500°C przez 30 minut. Po zakończeniu wygrzewania prowadzi się wzrost nanosłupków, który jest powolny i trwa zwykle od 10 do 20 godzin.
Z patentu PL 222 013 znany jest sposób, w którym podłoże, korzystnie z krzemu zawierające na powierzchni metaliczne kulki eutektyczne lub metaliczną warstwę zarodkującą wzrost umieszcza się w mieszaninie reakcyjnej o pH 6,5-12. Przy czym mieszanina ta zawiera rozpuszczalnik, co najmniej jeden prekursor tlenu, i co najmniej jeden prekursor cynku. Następnie temperaturę mieszaniny reakcyjnej podnosi się do temperatury 50-95°C i przez co najmniej 1 minutę, prowadzi się wzrost nanosłupków ZnO.
Korzystnie jest jeżeli prekursorem tlenu w mieszaninie reakcyjnej jest woda, a prekursorem cynku jest azotan cynku lub octan cynku.
Wadą znanych sposobów są trudności w przygotowaniu podłoża zawierającego odpowiednie zarodki oraz bardzo wolny wzrost nanosłupków.
Celem wynalazku jest opracowanie taniego, prostego i szybkiego sposobu wytwarzania nanosłupków ZnO na różnych podłożach. Sposobu, który gwarantowałby równomierne rozmieszczenie nanosłupków i charakteryzowałby się dużą powtarzalnością.
Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO według wynalazku polega na tym, że podłoże, zawierające warstwę zarodkującą wzrost umieszcza się w mieszaninie reakcyjnej o pH 6,5-12 zawierającej rozpuszczalnik, co najmniej jeden prekursor tlenu i co najmniej jeden prekursor cynku. Następnie temperaturę mieszaniny reakcyjnej podnosi się i prowadzi się wzrost nanosłupków.
W sposobie tym, warstwę zarodkującą wytwarza się na podłożu, w co najmniej jednym cyklu procesu ALD, a wzrost nanosłupków ZnO prowadzi się przez 1-59 sek., w temperaturze 25-49°C.
PL 226 486 B1
Sposób wytwarzania nanosłupków według wynalazku jest prosty, nie wymaga stosowania skomplikowanej aparatury do kontroli przepływu gazów lub cieczy czy utrzymania wysokiej próżni.
Jest procesem bezpiecznym, bo wzrost odbywa się przy stosunkowo niskiej temperaturze (25-49°C) i może odbywać się przy ciśnieniu atmosferycznym. Przygotowanie mieszaniny reakcyjnej wymaga jedynie wymieszania prekursorów w wodzie lub w innym rozpuszczalniku. Proponowany sposób wykorzystuje mechanizm zarodkowania wzrostu nanosłupków w roztworze dzięki specyficznie osadzonej na podłożu warstwie ZnO. O ile znane jest wykorzystanie zarodków ZnO do wzrostu nanosłupków, to zarodki te nie były nigdy wytwarzane metodą ALD.
Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania nanosłupków ZnO na podłożu z krzemu.
Przykładowy sposób składa się z dwóch etapów. Pierwszy etap polega na odpowiednim przygotowaniu podłoża. W przykładowym sposobie jako podłoża użyto płytki z krzemu o grubości 0,5 mm. Na powierzchni podłoża w procesie ALD została osadzona warstwa ZnO zarodkująca wzrost nanosłupków. Proces składał się z 5 cykli ALD i został przeprowadzony w temp. 100°C, jako prekursora tlenu użyto wody dejonizowanej, natomiast jako prekursora cynku użyto dietylocynku. W wyniku tak prowadzonego procesu, na powierzchni krzemowego podłożu zostaje wytworzona warstwa ZnO o charakterze wyspowym (niepełna).
W drugim etapie przygotowano mieszaninę reakcyjną o pH równym 8. W tym celu do naczynia wlano wodę dejonizowaną, która spełnia role rozpuszczalnika i prekursora tlenu, (ale może to być także rozpuszczalnik alkoholowy) i rozpuszczono w niej prekursor cynku, w postaci bezwodnego cynku. Odpowiednie pH mieszaniny uzyskuje sie po dokładnym wymieszaniu, poprzez strącanie wodorotlenku metalu, jakim jest wodorotlenk sodu (ale może to być także wodorotlenek potasu). W tak przygotowanej mieszaninie umieszczono wcześniej przygotowane podłoża z „wyspową” warstwą ZnO na powierzchni. Proces wzrostu nanostruktur prowadzono przez 50 sekund przy ciśnieniu atmosferycznym, w temperaturze ~40°C.
W wyniku tak prowadzonego procesu na powierzchni krzemowego podłoża otrzymano nanosłupki ZnO o wysokości ok. 1 nm w kształcie sześciokątnych graniastosłupów prawidłowych. Otrzymane nunosłupki związane są z podłożem, w związku z czym, mogą być wykorzystywane do praktycznych zastosowań typu sensorowego, fotowoltaicznego czy emisyjnego. Sposób według wynalazku nie wymaga stosowania wysokiej próżni, może być prowadzony na podłożach o dużych rozmiarach, jest szybki i prosty, przez co jest sposobem tanim, wydajnym i doskonale nadaje sie do przemysłowego stosowania.
Claims (1)
- Zastrzeżenie patentowe1. Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożu, zawierającym warstwę zarodkującą wzrost, w którym podłoże to umieszcza się w mieszaninie reakcyjnej o pH 6,5-12 zawierającej rozpuszczalnik, co najmniej jeden prekursor tlenu, i co najmniej jeden prekursor cynku, po czym podnosi się temperaturę mieszaniny reakcyjnej i prowadzi się wzrost nanosłupków ZnO, znamienny tym, że warstwę zarodkującą wzrost wytwarza się na podłożu w co najmniej jednym cyklu procesu ALD, a wzrost nanosłupków ZnO prowadzi się przez 1-59 sekund, u temperaturze 25-49°C.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL402753A PL226486B1 (pl) | 2013-02-13 | 2013-02-13 | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL402753A PL226486B1 (pl) | 2013-02-13 | 2013-02-13 | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL402753A1 PL402753A1 (pl) | 2014-08-18 |
| PL226486B1 true PL226486B1 (pl) | 2017-07-31 |
Family
ID=51302479
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL402753A PL226486B1 (pl) | 2013-02-13 | 2013-02-13 | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL226486B1 (pl) |
-
2013
- 2013-02-13 PL PL402753A patent/PL226486B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL402753A1 (pl) | 2014-08-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Poornajar et al. | Synthesis of ZnO nanorods via chemical bath deposition method: The effects of physicochemical factors | |
| Amin et al. | Influence of pH, precursor concentration, growth time, and temperature on the morphology of ZnO nanostructures grown by the hydrothermal method | |
| Tao et al. | The effect of seed layer on morphology of ZnO nanorod arrays grown by hydrothermal method | |
| US20190112703A1 (en) | Method of manufacturing oxide crystal thin film | |
| Zhao et al. | Growth and morphology of ZnO nanorods prepared from Zn (NO3) 2/NaOH solutions | |
| KR101352246B1 (ko) | 산화아연 박막의 제조방법 | |
| Yu et al. | Shape alterations of ZnO nanocrystal arrays fabricated from NH3· H2O solutions | |
| Guo et al. | Low-temperature preparation of (002)-oriented ZnO thin films by sol–gel method | |
| Downing et al. | Hydrothermal growth of ZnO nanorods: The role of KCl in controlling rod morphology | |
| Chee et al. | Optical and structural characterization of solution processed zinc oxide nanorods via hydrothermal method | |
| Hu et al. | Development of a wet chemical method for the synthesis of arrayed ZnO nanorods | |
| Amiruddin et al. | Epitaxial growth of vertically aligned highly conducting ZnO nanowires by modified aqueous chemical growth process | |
| Sun et al. | Crystalline ZnO thin film by hydrothermal growth | |
| Hector et al. | Chemical synthesis of β-Ga2O3 microrods on silicon and its dependence on the gallium nitrate concentration | |
| Narin et al. | Growth dynamics of mist-CVD grown ZnO nanoplatelets | |
| CN101608305B (zh) | 一种制备ZnO纳米线阵列的方法 | |
| Wei | Zinc oxide nanostructures and porous films produced by oxidation of zinc precursors in wet-oxygen atmosphere | |
| Li et al. | Structural and luminescent properties of ZnO nanorods prepared from aqueous solution | |
| Márquez-Marín et al. | Very sharp zinc blende-wurtzite phase transition of CdS nanoparticles | |
| CN104229862B (zh) | 一种制备交叉型氧化锌纳米线阵列的方法 | |
| Nandi et al. | Morphology and photoluminescence of ZnO nanorods grown on sputtered GaN films with intermediate ZnO seed layer | |
| CN105198232B (zh) | 一种变化直径的ZnO定向纳米柱阵列材料及其制备方法 | |
| PL226486B1 (pl) | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO | |
| Le et al. | Nanorod assisted lateral epitaxial overgrowth of ZnO films in water at 90° C | |
| PL222013B1 (pl) | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożu |