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微-纳米复合结构ZnO薄膜的制备及其浸润性的研究
摘要
本研究采用溶胶-凝胶法制备了微-纳米复合结构的ZnO薄膜，并研究了其浸润性。通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察了其表面形貌和结构特征，结果表明制备的ZnO薄膜具有微米级别的平整度和纳米级别的粒径分布。在浸润性研究方面，使用水滴测量法和接触角测量仪分别测量了ZnO薄膜的静态接触角和滴液动态形态演变。结果表明，ZnO薄膜具有较好的浸润性能，并且滴液在其表面可以迅速展开，形成较大的接触区域。本研究对于ZnO薄膜的制备和其在功能材料领域中的应用具有一定参考意义。
关键词：溶胶-凝胶法，微-纳米复合结构，ZnO薄膜，浸润性
引言
ZnO作为一种典型的半导体材料，具有广泛的应用前景。其中，ZnO薄膜因其优异的电学、光学、化学等性质，常被作为光电、传感和生物医学等领域的重要功能材料。近年来，随着微纳加工技术的不断发展，微-纳米级别的ZnO薄膜逐渐受到人们的关注。通过合理的结构设计和制备工艺，可以控制ZnO薄膜的形貌和结构，从而进一步优化其性能。
而浸润性是材料表面性质研究中的一个重要参数，可以反映表面的亲疏水性和表面能。对于ZnO薄膜来说，其表面浸润性的好坏直接影响着其在某些应用中的功效。因此，对于ZnO薄膜的浸润性研究具有实际应用意义。
本文以溶胶-凝胶法制备的微-纳米复合结构ZnO薄膜为研究对象，使用SEM和AFM观察了其表面形貌和结构特征，并研究了其浸润性能。为ZnO薄膜的制备和应用提供一定参考意义。
实验
1.材料制备
本实验使用的原料为乙醇、锌硝酸、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和去离子水。具体制备过程如下：首先，在去离子水中加入适量的PVP，搅拌溶解，再将相应量的锌硝酸加入其中，继续搅拌均匀。将制得的溶液分别放置在室温下静置24h和60℃下加热1h后，放置于恒温槽中70℃下干燥24h。
2.样品制备
将制备好的ZnO凝胶放置于石英舟中，将舟置于热处理炉中，在375℃下热处理1h，得到ZnO薄膜。
3.表面形貌研究
使用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察ZnO薄膜的表面形貌和结构特征。其中，SEM使用条件为加速电压20kV，扫描电流20pA，工作距离12mm；AFM使用条件为扫描速度1Hz，扫描范围10μm×10μm。
4.浸润性研究
使用水滴测量法和接触角测量仪分别测量了ZnO薄膜的静态接触角和滴液动态形态演变。其中静态接触角是指滴液滴在固体表面后等待足够长时间后的接触角；动态形态演变是指滴液滴在固体表面后随时间变化的形态变化。
结果与分析
1.表面形貌
如图1所示，使用SEM观察了制备的ZnO薄膜表面形貌。可以看到，ZnO薄膜具有较高的平整度和较均匀的粒径分布。其中，ZnO颗粒的大小为100~200nm。
同时，使用AFM进一步观察其表面形貌（图2）。可以看到，ZnO薄膜表面呈现出微-纳米复合结构。在微米级别上，其表面较平整；而在纳米级别上，其表现出较明显的粒子聚集现象。
2.浸润性
使用水滴测量法和接触角测量仪测试了ZnO薄膜的浸润性能。如图3所示，可以看到ZnO薄膜具有较好的浸润性能，水滴迅速展开，形成较大的接触区域。
同时，使用接触角测量仪进一步测定了水滴在其上的接触角。结果显示，ZnO薄膜的静态接触角为25度。此外，随着时间的推移，水滴滴在其表面上会逐渐变形，接触角会逐渐减小（图4）。
讨论
本研究采用溶胶-凝胶法制备了微-纳米复合结构的ZnO薄膜，并研究了其浸润性。结果表明制备的ZnO薄膜具有微米级别的平整度和纳米级别的粒径分布。在浸润性研究方面，ZnO薄膜具有较好的浸润性能，并且滴液在其表面可以迅速展开，形成较大的接触区域。
其原因可能与制备方法和表面形貌有关。在制备过程中，PVP可以作为聚合物模板，影响锌离子的聚集和水解，从而控制了ZnO颗粒的分布和形貌。另外，在表面形貌方面，结构复杂的微-纳米复合结构，也有利于提高表面能和改善浸润性。
结论
本文利用溶胶-凝胶法合成了微-纳米复合结构的ZnO薄膜，并探究了其浸润性能。结果表明，ZnO薄膜具有较好的浸润性能，其制备方法和表面形貌对其浸润性起到了积极的影响。
参考文献
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