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纳米ZnO薄膜的制备
一、ZnO前驱体的制备
1、实验仪器：25 mL三口烧瓶一个、150 ℃量程的温度计一支、24口冷凝管一根、油浴锅一个、磁力搅拌器、陶瓷加热台；
2、实验试剂：甲基硅油、二水乙酸锌（Zn ( CH3COO ) 2 ·2H2O）、乙醇胺、乙二醇甲醚；
3、实验步骤：
①称量二水乙酸锌1.0975 g
乙醇胺0.3 mL 0.5 mol/L ZnO前驱体
乙二醇甲醚10 mL
在三口烧瓶中将称量好的二水乙酸锌溶解于乙二醇甲醚中，再加入与二水合乙酸锌等摩尔的乙醇胺作为稳定剂；
②冷凝管里从下往上通以冷却水，把烧瓶置于盛有甲基硅油的油浴锅中，在80 ℃下回流2小时；
将烧瓶空冷至室温之后，再在磁力搅拌机上搅拌12小时，再用有机系滤头过滤，得到的就是ZnO前驱体。
二、ZnO薄膜的制备
①将玻璃片清洗干净（丙酮15min、碱液20 min、去离子水10min、异丙醇15min），置于旋涂机上；把陶瓷加热台置于通风橱中，并预先升至200 ℃；
②将过滤好的（可以在要用的时候才过滤，因为比较稳定）ZnO前驱体溶液滴满玻片表面，在转速为3000 r下旋转40 s；
③直接将旋涂好的玻片置于加热台上（可以用锡箔纸包覆，以免污染薄膜表面），反应1小时；此时薄膜应为淡紫色;
④将玻片置于齿状架上，先后放入丙酮、异丙醇中超声约5-7 min，测得薄膜粗糙度大约为2-3 nm。
ZnO薄膜的制备与性能研究ZnO是众所周知的一种半导体材料，近年来，它的应用领域不断扩大，包括光电技术、传感器技术、气敏技术、生物技术等领域。
其具有较高的透明度、电阻率、热稳定性和高电子迁移率等优异特性，使得其在各个领域中拥有巨大市场前景。
在这些应用中，ZnO薄膜则是ZnO材料的重要组件之一。
本文主要探讨ZnO 薄膜的制备及其性能研究。
一、ZnO薄膜制备方法1.溶胶-凝胶法ZnO薄膜制备的一种常见方法为溶胶-凝胶法。
该方法主要涉及将预先制备好的ZnO溶胶放置于合适的基底上，然后通过热退火的方式完成ZnO薄膜的制备。
使用该方法，可以获得良好的薄膜质量和较大的薄膜面积，同时可以随意控制薄膜厚度。
2.物理气相沉积法物理气相沉积法是ZnO薄膜制备中最常用的方法之一。
其主要通过采用物理气相沉积设备将高温气体通入反应室，然后将蒸汽通过传输管道沉积在基底上完成ZnO薄膜的制备。
该方法具有制备ZnO晶体中空气杂质较少、晶粒精细等显著的优点。
3.MBE法MBE法是利用分子束外延设备在超高真空环境下生长晶体的方法。
该方法制备的ZnO薄膜具有非常高的晶体质量。
然而，需要难以实现的极限条件，如超高真空环境和较高的晶体表面温度。
二、ZnO薄膜性能研究1.光电性能ZnO薄膜是光学和电学交叉的半导体薄膜。
关于ZnO薄膜的光学性能，已有许多研究。
例如，有研究人员证实了ZnO条纹薄膜在光学上具有比等宽薄膜更高的透射比，这是由于条纹薄膜的形态依赖性的折射率引起的。
此外，ZnO薄膜具有优越的光电转换性能，可用于太阳能电池、传感器等领域。
2.气敏性能ZnO薄膜的气敏性能是其另一个重要的应用领域，具有广泛的市场前景。
研究表明，ZnO薄膜的气敏性能受到薄膜厚度、沉积温度和掺杂类型等多个因素的影响。
例如，掺杂ZnO薄膜的气敏性能不仅可以提高灵敏度，还可以增加电阻率等方面的特性。
3.化学性质关于ZnO薄膜的化学性质，研究人员通常需要从其表面性质、表面反应等多个方面进行分析。
zno的用途及其薄膜的制备方法一、ZnO的用途。
1.1 在橡胶工业中的作用。
ZnO在橡胶工业里那可是相当重要的角色啊。
它就像是一个小助手，能起到硫化促进的作用。
想象一下，橡胶如果没有它，就像一辆没有润滑油的汽车，运转起来磕磕绊绊的。
有了ZnO，橡胶的硫化过程就变得更加顺畅高效，能够大大提高橡胶的硬度、强度等性能，让橡胶制品更加耐用，不管是汽车轮胎还是橡胶鞋底，都离不开它这个得力助手呢。
1.2 在涂料中的用途。
在涂料领域，ZnO也有它的用武之地。
它就像一个保护神一样。
ZnO具有良好的遮盖力和着色力，加到涂料里，能让涂料更好地遮盖墙面或者物体表面的瑕疵。
而且啊，它还具有一定的抗菌性能呢，就像给涂料注入了一股神奇的力量。
涂有含ZnO涂料的墙面，就像穿上了一层坚固又抗菌的铠甲，不容易被细菌侵蚀，能够保持墙面的干净整洁，特别适合用于医院、学校等对卫生要求比较高的场所。
1.3 在电子工业中的应用。
在电子工业这个大舞台上，ZnO可是个闪闪发光的明星。
它具有半导体的特性，这就像是它拥有了一种特殊的魔法。
可以用于制造压敏电阻、晶体管等电子元件。
比如说压敏电阻吧，ZnO在其中就起着关键的作用，当电路中的电压发生变化时，它能像一个灵敏的卫士一样，迅速做出反应，保护电路不被过高的电压损坏，这对整个电子设备的稳定运行来说，那可是至关重要的，缺了它可不行啊。
二、ZnO薄膜的制备方法。
2.1 化学溶液法。
化学溶液法就像是一场化学的魔法烹饪。
把含有锌离子的溶液，通过各种化学试剂的配合，在合适的温度、浓度等条件下，让锌离子慢慢沉淀或者反应，最后在基底上形成ZnO薄膜。
这个过程就像小火慢炖一锅汤一样，需要耐心地控制各种参数。
不过这种方法成本相对比较低，就像在路边摊吃到美味的小吃一样，虽然简单但却实惠，适合大规模的生产一些对薄膜质量要求不是特别高的产品。
2.2 物理气相沉积法。
物理气相沉积法就显得比较高大上了。
它有点像把锌原子像发射子弹一样，射到基底上形成薄膜。
实验八ZnO纳米薄膜的制备一、实验目的1、了解纳米薄膜的常用制备方法。
2、掌握络合-聚合法制备ZnO溶胶方法。
3. 掌握浸渍-提拉法和旋涂法制备薄膜的工艺流程。
二、实验原理络合-聚合溶胶-凝胶法液相化学工艺的络合-聚合法制备薄膜是常用的一种化学制备薄膜方法，合成温度低，产物组成均匀，晶粒细小易控制，而且粒径分布很均匀。
金属离子首先与柠檬酸络合形成溶胶，加入聚乙二醇通过缩聚反应形成聚酯网络的过程。
通过浸渍-提拉法和旋涂法在玻璃基片上沉积薄膜。
随温度升高，凝胶膜中的柠檬酸和聚乙二醇发生分解，放出大量气体，产生较大体积收缩，形成Zn-O非晶薄膜。
通过热处理，薄膜中的非晶态转化成细小的晶粒，便形成了ZnO纳米晶薄膜。
三、实验仪器及试剂仪器：磁力搅拌器，干燥箱，箱式电阻炉，烧杯，量筒，培养皿，表面皿。
试剂：乙酸锌，柠檬酸，聚乙二醇，蒸馏水。
四、实验步骤1. ZnO溶胶制备准确称取0.01mol的乙酸锌（分子量220），室温下将其溶解在40ml的蒸馏水中，磁力搅拌，待其全部溶解后，将0.01mol柠檬酸溶解在其中，继续搅拌，待柠檬酸完全溶解后，边搅拌边加入3g聚乙二醇，溶解后继续搅拌2h。
2. ZnO薄膜的制备将玻璃基片放在盛有蒸馏水的烧杯中超声清洗后，放在干燥箱中干燥后备用。
1）将玻璃基片放在涂膜机上，以一定速率高速旋转，用塑料吸管吸取ZnO溶胶逐滴滴到旋转的玻璃基片上，关闭涂膜机，将玻璃基片放到100℃的干燥箱中干燥10min，在空气中冷却后，重复上述操作3次以增加膜层厚度。
镀完最后一层膜后，再在100℃下干燥30 min。
最后放入电阻炉中以2～3℃/min升温至600℃后保温1h，随炉冷却至室温，得到ZnO纳米薄膜。
2）将干燥洁净的玻璃基片快速浸入配制好的溶胶中，静置10s后，以6cm/min 的提拉速度垂直向上提拉基片，然后立即放人温度为100℃的烘箱中干燥10min，在空气中冷却后，重复上述操作3次以增加膜层厚度。
zno纳米结构薄膜的水溶液法制备与研究一、ZNO纳米结构薄膜的概述大家都知道，现在这个科技飞速发展的时代，材料科学也成了一个大热门话题。
说到材料，你可能会想起钢铁、水泥这些硬邦邦的东西，谁能想到，咱们今天聊的这个ZNO纳米结构薄膜，听起来有点高大上吧。
实际上，它是一种基于氧化锌（ZnO）纳米材料制成的薄膜。
说到这，你可能会问：“氧化锌是什么东西？这玩意儿能做什么？”它不仅仅是我们常见的防晒霜中的成分，还是很多高科技领域的重要材料，比如光电器件、传感器，甚至是太阳能电池的核心材料呢。
这个ZNO薄膜，可以说是电子、光学领域里的“香饽饽”了。
咱们接着说，它之所以这么受欢迎，最重要的一个原因就是它的纳米结构。
你看，纳米材料的特点就是粒子小，表面积大，功能性特别强。
ZNO纳米结构薄膜就像一张超薄的“网”，这种薄膜不仅能有效地吸收光能，还能让电荷更容易在里面流动。
简单来说，它不光能“吸光”，还能够“导电”。
这就是为什么它在许多电子器件中被看重的原因。
二、水溶液法的制备方法听到水溶液法，你可能会想：“这不就是溶解在水里的东西吗？”对的，水溶液法就是利用水作为溶剂，把锌源溶解成水溶液，然后在特定的条件下让它们沉淀下来，最后得到一层ZNO薄膜。
这种方法，别看它简单，实际上却有很多讲究。
水溶液法的优势就是操作简单，成本低，而且容易控制。
想象一下，你在厨房做菜，往锅里加水，再慢慢地加入各种调料，这个过程就是水溶液法的一个缩影。
你只需要调好水溶液的浓度、温度、pH值等参数，最后得到的ZNO薄膜就能在你想要的大小、厚度和结构下“乖乖”长出来。
别看它这么简单，水溶液法的控制性可是非常强的。
你可以通过调节溶液的成分，控制ZNO薄膜的形态，比如它的晶粒大小、形状、排列方式等等。
要是你想让它做成一个一模一样的纳米颗粒排列，就得好好掌握其中的“诀窍”。
这种方法的另一个好处是它的环境友好，毕竟咱们都是在水里“泡”出来的，不像一些其他的制备方法需要用到那些复杂的化学品，既安全又环保。
第38卷增刊 人 工 晶 体 学 报 Vol .38S pecial Editi on 2009年8月 JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS August,2009 电泳沉积法制备超疏水Zn O 薄膜何新华1,2,陈志武1,2,李 茂1,罗 磊1(1.华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640;2.湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室,湘潭411105)摘要:采用电泳沉积法在I T O 导电玻璃基片上制备超疏水Zn O 薄膜,研究了电流强度、沉积时间和缓冲层对薄膜的晶相、显微结构、透光度和润湿性的影响。
利用SE M 和XRD 表征薄膜的表面形貌和晶相组成。
结果表明:所沉积的薄膜主要由Zn O 和Zn (OH )2两相组成,在空气中放置一段时间后全部转变为Zn O 相,电泳沉积膜是由Zn O 纳米晶片无序排列组成的网状结构。
电流强度和缓冲层对薄膜的形貌影响较大,较高的电流强度可获得大孔洞的网状结构,涂覆Zn O 缓冲层显著改善了薄膜的均匀性。
关键词:Zn O;电泳沉积;疏水性;网状结构中图分类号:O647 文献标识码:A 文章编号:10002985X (2009)S120137204Preparati on of Super 2hydrophobi c ZnO Fil m s by Electrophoreti c Depositi onHE X in 2hua 1,2,CHEN Zh i 2w u 1,2,L I M ao 1,LUO L ei 1(1.College of Materials Science &Engineering,South China University of Technol ogy,Guangzhou 510640,China;2.Key Laborat ory of Low D i m ensi onalMaterials &App licati on Technol ogy of M inistry of Educati on,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China )Abstract:Super 2hydr ophobic ZnO fil m s were fabricated on conductive I T O glass substrates byelectr ophoretic depositi on (EP D ).The effect of current density,depositi on ti m e and buffer layer on thecrystal phase,m icr ostructure,trans m ittance and wettibility were investigated .Surface mor phol ogy andphase compositi on were characterized by SE M and XRD.The results indieated the as 2deposited fil m smainly consist of ZnO and Zn (OH )2t w o phase,and Zn O phases were co mp letely for med after exposing t othe air f or a l ong ti m e .Zn O fil m s were reticular structures with random arrange ment of nano crystalp lates .Current density and buffer layer have great effect on the mor phol ogy of ZnO fil m s .Reticularstructures with large gap s are obtained at a large current density,and ZnO coated buffer layer wouldenhance the unifor m ity of as 2deposited Zn O fil m s re markably .Key words:Zn O;electr ophoretic depositi on (EP D );hydr ophobicity;reticular structure基金项目:广东省科技计划项目(2007A010500012);华南理工大学国家大学生创新性实验计划(B092Y9080040);低维材料及其应用技术教育部重点实验室开放课题资助课题(KF0701)作者简介:何新华(19692),女,河北省人,博士,副教授。
用水热法制备超疏水性ZnO纳米棒薄膜公茂刚;许小亮;杨周;刘玲;李华;张晗【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2008(039)011【摘要】采用简单的水热法制备了超疏水性ZnO纳米棒薄膜,在用磁控溅射在Si(111)衬底上生长一层ZnO籽晶层的基础上,利用水热法制备了空间取向一致的ZnO纳米棒阵列,经修饰后由亲水性转变为超疏水性.用扫描电子显微镜、X射线衍射对样品表面和结构特征进行了表征,用接触角测量仪测出水滴在ZnO纳米棒薄膜表面的接触角为(160±1)°,滚动角为5°.【总页数】3页(P1906-1908)【作者】公茂刚;许小亮;杨周;刘玲;李华;张晗【作者单位】中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,物理系,安徽,合肥,230026【正文语种】中文【中图分类】O647.5;O647.11【相关文献】1.S掺杂ZnO纳米棒的水热法制备及其性能研究 [J], 张蕾;2.水热法制备ZnO纳米棒及其电池性能的研究 [J], 王艳香;陈凌燕;孙健;李家科;杨志胜;黄丽群3.水热法制备TiO2-ZnO纳米棒分级结构及其光电性能研究 [J], 孙宝;张赛;杜静文;郝彦忠;裴娟;李英品4.水热法制备ZnO纳米棒薄膜及其机理 [J], 刘宽菲;武卫兵;陈晓东;陈宝龙;张楠楠5.水热法制备Co掺杂ZnO纳米棒的及其光学性能分析 [J], 刘丽丽;刘巧平;李琼;耿雷英因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第28卷 第9期2008年9月物 理 实 验PH YSICS EXPERIMENT ATIONV ol.28 N o.9 Sep.,2008收稿日期:2008-05-17;修改日期:2008-06-06基金项目:安徽省自然科学基金(N o.070414187)及国家基础科学人才培养基金(N o.J0630319/J0103)资助项目 作者简介:马 恺(1987-),男,河北保定人,中国科学技术大学物理系本科生.通讯作者:许小亮(1960-),男,江苏南京人,中国科学技术大学物理系教授,博导,从事功能材料的研究与教学工作.E -mail:x lx u@实验与应用三步法制备ZnO 花状微结构疏水性薄膜马 恺,李 华,张 晗,许小亮(中国科学技术大学物理系,安徽合肥230026)摘 要:荷叶的疏水性主要来自荷叶表面的微纳复合结构.利用三步法对荷叶表面的微结构进行仿生,制备了Z nO 花状微结构疏水性薄膜.首先用so-l g el 法在普通玻璃衬底上生长SiO 2薄膜,然后进行磁控溅射生长籽晶层,再在其上利用水热法制备出微米量级和微纳复合的2种不同的ZnO 花状微结构的均匀薄膜,经有机修饰后,具有不同程度的疏水能力.用扫描电镜观察了不同微结构ZnO 薄膜的表面特征,用X 射线衍射研究了ZnO 的结晶情况,并且研究了不同微结构对疏水性质的影响.实验结果表明:微纳复合结构可以提高薄膜疏水性,最佳三相接触角达到140b .关键词:三步法;ZnO;微纳复合结构;疏水薄膜中图分类号:O 484.1 文献标识码:A 文章编号:1005-4642(2008)09-0009-061 引 言浸润性是固体表面的重要特征之一,也是最为常见的一类界面现象,它是由表面的微观几何结构和表面的化学组成共同决定的[1].浸润性不仅直接影响自然界中动植物的各种生命活动,而且在人类的日常生活、工农业生产和科学技术中起着重要作用.浸润性可以用固体表面上的接触角来衡量,人们通常把接触角小于90b 的固体表面称为亲水表面,大于90b 的表面称为疏水表面,超过150b 的称为超疏水表面.由于超疏水性表面在自清洁材料和微流体器件中有着重要的应用,最近几年引起了人们广泛的研究兴趣[1-10].阵列碳纳米管膜表面呈蜂窝状纳米结构,具有疏水效应[11].ZnO 纳米棒薄膜表面存在纳米量级的ZnO 棒阵列,也具有疏水效应[12].这些疏水性薄膜只具有纳米量级的结构,并不具有微米量级的结构.通过对荷叶的仿生学研究,发现荷叶效应本质上源于荷叶表面的微纳复合结构,微纳复合结构可以有效地提高薄膜的疏水效应[13].在本文中,用三步法对荷叶表面的微纳复合结构进行仿生,制备了ZnO 疏水性薄膜.首先用so-l gel 法在普通玻璃衬底上生长SiO 2薄膜,目的是造成微米量级的粗糙表面,降低临界晶核形成功,使之有利于后续自组装仿生结晶;然后进行磁控溅射生长籽晶层,目的是使ZnO 结晶均匀;再在其上利用水热法制备出2种不同的ZnO 花状微结构的均匀薄膜,一种为微米量级的结构,一种为微纳复合结构,经有机修饰后,具有不同程度的疏水能力.通过比较发现,在其他条件相似的情况下,微纳复合结构比单纯的微米结构具有更强的疏水能力.2 实 验在本实验中,用三步法制备出ZnO 疏水性薄膜:分为SiO 2基底薄膜的制备,ZnO 籽晶层的制备,ZnO 微米花的制备或ZnO 微纳复合花的制备.最后用有机物对ZnO 微结构的表面进行了修饰.2.1 SiO 2基底薄膜的制备用正硅酸乙酯(ETOS)、乙醇(EtOH )、去离子水以及盐酸为原料,按3B 4B 3B 0.035(体积比)的比例混合,用磁力搅拌机搅拌1h,得均匀透明溶胶.以清洗过的玻璃基片为衬底,用浸渍提拉法制得均匀透明的SiO 2薄膜.先在473K 退火1h,待薄膜干燥稳定后,再在673K 退火1h,以分解去除剩余的有机物.退火温度是根据对透明溶胶前驱体做失重分析得来的[14].2.2ZnO籽晶层的制备分别将制备好的SiO2薄膜和洗净的玻璃片作为衬底,用磁控溅射法镀ZnO籽晶层.靶材为直径60m m的自制ZnO粉末靶,将压好的靶置入马弗炉中,在1200e空气气氛下煅烧5h,然后自然冷却.溅射时的衬底温度为室温,工作气体为99.99%纯度的Ar气和99.99%纯度O2气按1B1(体积比)混合,工作压强为3Pa,采用射频溅射模式,靶与衬底之间的距离为70mm,溅射功率为100W,生长速率为0.1nm/s,镀膜时间为100s.2.3ZnO微米花状结构和花状ZnO微纳复合结构的制备用乙酸锌、六亚甲基四胺(H M T)和乙二胺(EN)为原料,合成ZnO微结构的反应在水溶液中完成,实验在高压反应釜中进行,温度为96e.基片分别采用已制备好的SiO2薄膜/玻璃片和玻璃片.乙酸锌、六亚甲基四胺和乙二胺按1B1B3 (物质的量之比)比例混合,在磁力搅拌下形成均一的前驱体(乙酸锌浓度为0.01m ol/L),然后将前驱体倒入高压反应釜中,在96e下反应20h,自然冷却到室温.制得ZnO微米花状结构[15].用乙酸锌和氢氧化钠为原料,合成ZnO微结构的反应是在乙醇溶液中完成的,实验在高压反应釜中进行,温度为100e.基片采用已经制备好的SiO2薄膜和玻璃片.乙酸锌溶液(浓度为0.5mo l/L)和氢氧化钠溶液(浓度为5mo l/L)按1B1(体积比)的比例混合,磁力搅拌下形成均一的前驱体,然后将前驱体和乙醇按1B11(体积比)的比例混合均匀后,倒入高压反应釜中,在100e下反应17h,自然冷却到室温.制得花状ZnO微纳复合结构[16].上述冷却后的样品,用去离子水冲洗,除去残留的盐和有机物.2.4表面修饰实验制备出的各种薄膜样品如表1所示.将表1中的样品分别放入浓度为0.5m ol/L的NaOH溶液中浸泡5min,用去离子水冲洗,干燥.再将衬底放入三甲基氯硅烷浓度为2%的正己烷溶液中修饰2h,得到疏水性表面.表1样品一览表样品序号薄膜结构1玻璃2SiO2薄膜/玻璃3ZnO微纳复合花/玻璃4ZnO微纳复合花/ZnO籽晶层/玻璃5ZnO微米花/ZnO籽晶层/SiO2/玻璃6ZnO微纳复合花/ZnO籽晶层/SiO2/玻璃2.5表征用场发射扫描电子显微镜(FSEM)观察了样品的表面形态,用X射线衍射(XRD)测试了样品的结晶程度,用接触角测量仪测试了样品的液)固)气三相接触角(将5L L水滴滴在薄膜表面,进行接触角的拍照,再由图像估读出三相接触角).3结果与讨论3.1薄膜结构荷叶表面的微结构如图1所示.在荷叶表面,有一个个隆起的微米量级的乳突,每个乳突上有许多纳米量级的毛刺,这种结构导致了荷叶的超疏水效应.我们希望利用ZnO微纳复合花的结构,对荷叶表面的乳突结构进行仿生,以达到疏水效果.仿生薄膜结构如图2所示.在粗糙的SiO2表面通过磁控溅射籽晶层,均匀生长上ZnO 微纳复合花,构成多层薄膜.在此薄膜上,每朵小图1荷叶表面SEM 图图2仿生薄膜结构示意图10物理实验第28卷花模仿荷叶表面的每个乳突,以达到仿生的效果.3.1.1 ZnO 花状结构由图3可以看到,ZnO 微纳复合花薄膜上每个微纳复合花的直径约为1L m,上面长满了尺度在纳米量级的毛刺状结构.在制备ZnO 微纳复合花的过程中,采用的溶剂是乙醇,并且使用NaOH 调节反应溶液的pH 值,以使反应在较强的碱性中进行.乙醇是一种蒸汽压较高、极性较强的溶剂.蒸汽压高,沸点低,反应在沸腾的乙醇中进行,反应剧烈.与此同时,较高的极性使溶质离子在溶液中的自由行走更加自由.此外,溶液碱性较强有利于结晶的各向异性.所以在这样的反应条件下,ZnO 的结晶形貌呈现微纳复合的花状结构.(a)(b)图3 微纳复合花结构薄膜的SEM 图作为与微纳复合结构的比较,我们制备了ZnO 微米花结构.由图4可见,ZnO 微米花薄膜上每个微米花的直径约为15L m ,由许多直径约为500nm 的ZnO 纳米棒组成.在制备ZnO 微米花的过程中,反应在水溶液中进行,溶液呈弱碱性.在这样的反应条件下,ZnO有利于形成纳米(a)(b)图4 微米花结构薄膜的SEM 图棒结构.在水热法的高压条件下,ZnO 纳米棒在生长的过程中会相互结合成花核,进而生长成为ZnO 微米花结构.从2种花状结构的形貌可以看出,ZnO 微纳复合花具有典型的微纳复合结构,与荷叶表面的乳突形貌十分相似.正是ZnO 微纳复合花的这种微纳复合结构提高了薄膜的疏水性.而ZnO 微米花只有尺度在微米量级的棒状结构,所以它的疏水性不好.3.1.2 ZnO 花状结构XRD 分析ZnO 花状结构XRD 图谱如图5所示.所得图5 ZnO 花状结构的XRD 图11第9期 马 恺,等:三步法制备ZnO 花状微结构疏水性薄膜的ZnO 晶体均为纤锌矿结构,属于六方晶相,晶胞参量a =0.324nm,c =0.519nm.图中每个峰都能指标化,与六方晶系标准衍射峰相符合,说明ZnO 纯度高.在图5中,(a)和(b)两条曲线中的(100),(002)和(101)峰值有大约0.4b 的相对移动,这是因为微米花和微纳花的不同构成所致:微米花是由结晶程度较好的纳米棒在各个不同方向构成,而微纳花则是真正的多晶结构,因此曲线(a)中的峰值略大于曲线(b)中的峰值.3.1.3 SiO 2基底薄膜如图6所示,由酸性条件制备出的SiO 2薄膜具有2个特点:一是SiO 2薄膜表面具有较大尺度凹凸不平;二是SiO 2薄膜表面具有微米量级的粗糙结构.SiO 2表面的凹凸不平有利于使生长在其上的ZnO 花状结构相互挤压交叠,并对ZnO 花状结构起到一定的保护作用,增强ZnO 薄膜的附着能力.而SiO 2表面的粗糙结构有利于ZnO 在其上的结晶.这是因为由结晶学理论,当溶液中存在固液相界面时,结晶过程属于非均相成核,此时晶核的临界形成功为$G *h=16P R 3LN3($G v )2f (H ).其中$G v 为单位体积自由能变化,R LN 为比表面自由能,f (H )为形状因子,H 为结晶接触角.f (H )=(2+co s H )(1-co s H )24.当H =0b 时,结晶在固液界面发生,f (H )=0,临界晶核形成功$G *h =0;当H =180b 时,结晶在液相中发生,f (H )=1,临界晶核形成功$G *h =$G *>0.图6 SiO 2薄膜的AF M 图另一方面,固液相界面的粗糙度越大,过冷度越小,结晶速度越快.由此可见结晶在SiO 2粗糙表面发生具有较大的结晶速率,并且临界晶核形成功为零,低于结晶在液相中发生时的临界晶核形成功.所以ZnO 结晶更加容易发生在粗糙SiO 2表面.由以上2点原因,SiO 2基底薄膜对使ZnO 花状结构生长成为薄膜和增强薄膜的附着能力都有好处,进而有利于提高薄膜的疏水性.3.1.4 磁控溅射籽晶层磁控溅射籽晶层的目的有2个:首先磁控溅射籽晶层可以使基片表面均匀地分布1层薄薄的ZnO 薄膜,这些ZnO 可以作为ZnO 花状结构的结晶晶核,从而使ZnO 花状结构均匀地分布在基片表面;其次,籽晶层还可以提高ZnO 的结晶质量,进而提高ZnO 薄膜的疏水性.3.2 疏水性能的比较由以上的分析,对SiO 2基底薄膜、磁控溅射籽晶层、ZnO 微米花和ZnO 微纳复合花进行了排列组合,以比较各个部分对疏水性能的影响.以下给出的各个静态接触角的测量值均是在薄膜样品上随机取1个点进行接触角的拍照,再由图像读出的.图7为不同样品的表面接触角及部分样品的水滴相片.(a)中由1至6对应1号至6号样品的接触角;(b)(c)(d)分别为6,4和2号样品的水滴相片.图7 不同样品的表面接触角及部分样品的水滴相片3.2.1 SiO 2薄膜对疏水的影响由图7中1号和2号样品的比较可见,SiO 2薄膜的接触角比玻璃片的接触角提高了30b ,这说明SiO 2薄膜本身具有一定的粗糙结构,具有一定的疏水性质.由图7中3号和6号样品的比较可见,铺有SiO 2薄膜的ZnO 微纳复合花薄膜的接触角比没12物 理 实 验第28卷有铺SiO2薄膜的提高了10b左右.由此可见,SiO2薄膜有助于提高ZnO微纳复合花薄膜的疏水性.这是因为,一方面,SiO2薄膜本身具有一定的粗糙度,SiO2颗粒尺度与ZnO 微纳复合花的毛刺状结构尺度接近,这有助于ZnO微纳复合花与衬底的结合,使得它们在衬底上的分布更均匀,从而提高了ZnO微纳复合花薄膜的疏水性.另一方面,SiO2薄膜由于有一定粗糙度,所以本身也具有一定疏水性.ZnO微纳复合花以SiO2薄膜为衬底生长,一定程度上继承了SiO2薄膜的粗糙度,这也有助于提高ZnO微纳复合花薄膜的疏水性.3.2.2磁控溅射籽晶层对疏水的影响由图7中3号和4号样品的比较可见,预先进行磁控溅射ZnO籽晶层将ZnO微纳复合花薄膜的接触角提高了10b左右.由此可见在ZnO籽晶层上生长的ZnO微纳复合花薄膜具有更好的疏水性.这是因为,磁控溅射籽晶层可以在基片表面得到均匀分布的ZnO颗粒,而这些ZnO颗粒可以作为水热法中ZnO结晶的晶核,促进ZnO结晶发生在基片表面上,从而得到基片上均匀分布的ZnO微纳复合花薄膜,提高薄膜的均匀程度,并且提高ZnO的结晶质量,所以有利于接触角的提高.3.2.3ZnO微米花和微纳复合花状微结构对疏水的影响由图7中2号和5号样品的比较可见,生长有ZnO微米花薄膜的SiO2薄膜的接触角比单纯的SiO2薄膜的接触角减少了将近20b,由此可见,微米花结构的薄膜并不具有较好的疏水性.这是因为ZnO微米花薄膜上每个微米花的直径约为15L m,由许多直径约为500nm的ZnO纳米棒组成.这种结构的粗糙尺度过大而不具有好的疏水特性,并且它的存在掩盖了SiO2薄膜本身的粗糙结构,所以与单纯的SiO2薄膜相比,它的疏水性反而降低了.由图7中2号和6号样品的比较可见,生长有ZnO微纳复合花薄膜的SiO2薄膜的接触角比单纯的SiO2薄膜的接触角提高了10b左右,由此可见,微纳复合花薄膜具有较好的疏水性.这是因为,ZnO微纳复合花薄膜上每个微纳复合花的直径约为1L m,上面长满了尺度在纳米量级的毛刺状结构,这是一种典型的微纳复合结构,这种结构既具有微米尺度的粗糙度又具有纳米尺度的粗糙度,与荷叶表面相似.除此以外,基底SiO2薄膜本身具有一定的粗糙结构,溅射上ZnO籽晶层后,在其上生长的ZnO微纳复合花薄膜可以继承它的粗糙度,更有利于疏水.所以,与单纯的SiO2薄膜相比,生长有ZnO微纳复合花薄膜的SiO2薄膜具有更好的疏水性.4结论采用三步法成功制备出了ZnO微米花薄膜和ZnO微纳复合花薄膜,经三甲基氯硅烷修饰后,薄膜具有一定的疏水性.通过比较发现ZnO 微纳复合花薄膜的疏水性明显高于ZnO微米花薄膜的疏水性.由于没有采用氟化物进行有机修饰,所以制得的薄膜没有达到超疏水的效果,但是本文工作的目的在于通过结构调控实现疏水功能.考虑到氟化物的成本很高,不适宜推广,相比之下使用三甲基氯硅烷进行修饰成本较低,具有实用意义.参考文献:[1]R ichard D,Clanet C,Q uer e D.Sur face phenome-na:contact time of a bouncing dro p[J].N ature,2002,417:811.[2]Erbil H Y,Demirel A L,A vci Y,et al.T r ansfo r-mation of a simple plastic int o a super hy dr ophobicsurface[J].Science,2003,299:1377.[3]Gao X F,Jiang L.Biophysics water-repellent leg so f water strider s[J].Nature,2004,432:36.[4]M cH ale G,Shirtcliffe N J,N ewto n M I.Super-hy-dro phobic and super-w etting sur faces:analy tical po-tential[J].A nalyst.,2004,129:284.[5]Kr asovitski B,M armur A.Dr ops do wn the hill:t heo retical study of limit ing contact ang les and thehy st eresis range o n a 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