一种数码可控打印SnO2半导体纳米线的方法

一种数码可控打印sno2半导体纳米线的方法
技术领域：
1.本发明属于先进材料制造领域，特别涉及一种数码可控打印sno2半导体纳米线的方法。


背景技术：

2.二氧化锡(sno2)作为一种典型的宽禁带n型半导体，具有电子迁移率高、化学稳定性好等优点，被广泛应用于透明导电材料、半导体气体传感器、锂电池、太阳能电池等诸多领域。
3.通过将二氧化锡纳米化，来调控其微观结构、几何形貌，进而得到光电性能更加优良的纳米尺寸的二氧化锡已经得到了广泛的研究和报道。截止到目前，常见的一维sno2纳米材料的制备方法有：水热法、共沉淀法、溶胶凝胶法、传统静电纺丝等方法，但是水热法、共沉淀法和溶胶凝胶法无法获得长而连续的纳米线，传统的静电纺丝虽然能够得到连续的纳米线，但却是杂乱无序、取向不可控的，这都限制了sno2纳米材料进一步的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种数码可控打印sno2半导体纳米线的方法。该方法以n,n-二甲基甲酰胺为溶剂，聚乙烯吡咯烷酮、氯化亚锡二水合物为溶质，搅拌得到前驱体溶液，然后利用电流体喷印设备打印出sno2纳米线阵列，最后高温退火制备出长而连续、排列均匀、数码可控的sno2纳米线阵列。本发明解决了传统sno2纳米线合成中尺寸短小、杂乱无序的问题，可以得到排列整齐、数码可控的sno2纳米线阵列，适用于更多类型的器件，如：晶体管、半导体气体传感器等。本发明真正的实现了sno2纳米线打印的数码可控，对其大规模的集成和阵列具有重要意义。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.一种数码可控打印sno2半导体纳米线的方法，该方法包括以下步骤：
7.(1)将聚乙烯吡咯烷酮、氯化亚锡二水合物溶于n,n-二甲基甲酰胺中，常温下搅拌溶解0.5-24小时，得到前驱体溶液；
8.其中，聚乙烯吡咯烷酮：氯化亚锡二水合物的质量比为1:1-3:1；前驱体溶液中，聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为10-20％；
9.(2)将前驱体溶液吸取至注射器中，利用电流体喷印设备将前驱体溶液打印为纳米线阵列；
10.所述过程的静电纺丝参数为：静电纺丝电压为1-2kv，注射器针头到基板的距离为2-7mm，注射器针头出液量为10-100nl/min，基板运动速度为0.1m/s-1m/s；
11.(3)将上述得到的纳米线阵列在马弗炉中升温，在400-550℃下煅烧30-120min，降温后得到sno2半导体纳米线阵列；
12.所述的纳米线加热升温速度为2-10℃/min，降温速度为2-10℃/min。
13.得到的纳米线直径为100-5000nm，长度为1mm
–
20cm,间隔为100μm
–
1cm。
14.本发明的实质特点为：
15.本发明通过数码可控打印技术，实现了长直而连续的厘米级别的二氧化锡纳米线的制备。当前技术中，二氧化锡纳米线制备通常有水热法、共沉淀法和溶胶凝胶法等方法，这些方法制备的二氧化锡纳米线长度在百微米级别甚至更低，而二氧化锡材料的纺丝技术，由于纺丝中注射器针头与基板之间的间距过大等原因，操作中电压大(10kv-25kv)，而且得到的纳米线杂乱无章。
16.本发明通过大量研究，实现了对二氧化锡这种材料的1-2kv下的小电压打印。制备中，接收纳米线的基板是以0.1m/s-1m/s的速度运行,通过高速运动将原本弯曲，杂乱的纳米线拉直；同时在前驱液中加入聚乙烯吡咯烷酮来增强韧性，避免纳米线在打印的过程中处出现断裂。
17.本发明的有益效果为：
18.本发明中通过调控静电纺丝电压、基板运动速度以及针头出液量等参数，能够制备出连续而整齐的sno2纳米线阵列，同时纳米线的排列方式、单根纳米线走向以及纳米线之间的间距均是数码可控的，这有效的解决了一维sno2纳米线短小、不连续、杂乱等问题，为sno2纳米线大规模的阵列和集成提供了可能。具体体现如下：
19.1、本发明中打印二氧化锡纳米线的电压仅为1kv，远远小于现有技术中对二氧化锡纳米线制备过程中的纺丝电压(约为9kv
–
25kv)，极大的降低了能耗；
20.2、本发明能够获得长直而连续的二氧化锡纳米线，其长度可达到20cm而不发生断裂和弯曲(线与线之间的间距能够达到100μm)，而当前技术中的二氧化锡纳米线长度短小且杂乱，长度约为数十微米级别；(结合图1和图5、6，能够发现本发明中制备的二氧化锡纳米线是长直而连续的，而其他技术是短小杂乱的)
21.3、本发明能够制备出二氧化锡纳米线的阵列，这是其他技术所不具备的，为大规模集成和阵列提供了支撑。结合图2的表征可以发现，三根二氧化锡纳米线排列整齐长直连续，成功实现了阵列，从而可以实现以二氧化锡纳米线为半导体的电子器件的阵列，在二氧化锡纳米线器件的大规模阵列中有广泛的应用场景。
附图说明：
22.图1为实施例1中sno2半导体纳米线的sem图片；
23.图2为实施例1中sno2半导体纳米线阵列的sem图片；
24.图3为基于实施例1制得的sno2半导体纳米线的突触电子器件在源极接地，漏极电压为0.1v条件下的短时程突触可塑性的电学性能图；
25.图4为当前技术中水热法制备sno2纳米带的sem图片；
26.图5为当前技术中生长sno2纳米线的sem图片；
27.图6为实施例2中sno2半导体纳米线阵列的光学显微镜图片；
28.图7为实施例3中sno2半导体纳米线阵列长度的光学显微镜图片；
具体实施方式：
29.下面结合实例对本发明进行阐述，但并不因此将本发明限制在实例范围之内。
30.实施例1
31.(1)将质量比为3:4的氯化亚锡二水合物和聚乙烯吡咯烷酮溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，常温下搅拌6小时，制备前驱体溶液；其中，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分数为12.5％；
32.(2)将上述前驱体溶液吸取至注射器中，利用电流体喷印设备(e-jet)将前驱体溶液打印为纳米线阵列，控制静电纺丝电压为1.2kv、注射器针头和基板之间的距离为5mm，针头出液量设置为30nl/min，基板运动速度设置为1000mm/s；
33.(3)将上述制备得到了纳米线阵列置于马弗炉中500℃下加热1.5小时，升温速度为3℃/min，降温速度为3℃/min。
34.图1为实施例1中sno2半导体纳米线的sem图片，可以看出sno2半导体纳米线长而连续，没有出现断裂的情况；图2为实施例1中sno2半导体纳米线阵列的sem图片，可见sno2纳米线阵列的线与线之间均匀排列，线间距均匀。图3为基于实施例1制得的sno2半导体纳米线的突触电子器件的短时程突触可塑性电学性能图片，其源极接地，漏极电压为0.1v，当栅极被施加大小为2v、持续时间为50ms的刺激时，可以检测到突触电子器件的兴奋性突触后电流约为12μa，说明突触电子器件具有较好的短时突触可塑性能。
35.图4和图5为利用当前技术制备的sno2纳米线的sem图片，可见其制备的sno2纳米线杂乱无序、短小而不连续的特点，对比图1和图2能够证明本技术能够打印出连续和整齐的纳米线阵列。
36.实施例2
37.(1)将质量比为1:2的氯化亚锡二水合物和聚乙烯吡咯烷酮溶解于n,n-二甲基甲酰胺，常温下搅拌12小时，制备前驱体溶液，其中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分数为15％；
38.(2)将上述前驱体溶液吸取至注射器中，利用电流体喷印设备(e-jet)将前驱体溶液打印为纳米线阵列，控制静电纺丝电压为1kv、注射器针头和基板之间的距离为3mm，针头出液量设置为30nl/min，基板运动速度设置为500mm/s；
39.(3)将上述制备得到了纳米线阵列置于马弗炉中400℃下加热1小时，升温速度为2℃/min，降温速度为2℃/min。
40.实施例2成功地制备了长直、连续的二氧化锡半导体纳米线阵列，基本形状与实施例1相似，不在此进行赘述，稍有不同的是二氧化锡纳米线阵列之间的间距为100μm，这通过附图6能够看出。
41.实施例3
42.(1)将质量比为1:1的氯化亚锡二水合物和聚乙烯吡咯烷酮溶解于n,n-二甲基甲酰胺，常温下搅拌12小时，制备前驱体溶液，其中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分数为10％；
43.(2)将上述前驱体溶液吸取至注射器中，利用电流体喷印设备(e-jet)将前驱体溶液打印为纳米线阵列，控制静电纺丝电压为1.5kv、注射器针头和基板之间的距离为6mm，针头出液量设置为50nl/min，基板运动速度设置为800mm/s；
44.(3)将上述制备得到了纳米线阵列置于马弗炉中550℃下加热1小时，升温速度为5℃/min，降温速度为5℃/min。
45.实施例3成功制备了长直、连续的二氧化锡半导体纳米线阵列，基本形状与实施例1、2类似，在此不在进行赘述，稍有不同的是二氧化锡纳米线单根长度达到了厘米级别，这通过图7能够看出。
46.本发明未尽事宜为公知技术。