[發明專利]一種制備ZnO基稀磁半導體納米線陣列的方法

無效

• 申請號: 200710191170.2
• 申請日: 2007-12-07
• 公開（公告）號: CN101255600A
• 公開（公告）日: 2008-09-03
• 發明（設計）人: 賈沖;陳翌慶;忻敏君;蘇勇;周漢義
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B29/62;C30B1/00;C30B30/02
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司
• 代理人: 汪祥虬;何梅生

技術領域：

本發明屬于稀磁半導體制備方法技術領域，具體涉及ZnO基稀磁半導體納米線陣列的制備方法。

背景技術：

自美國《科學》(Science，2000年，第287卷，第1019頁)預言基于ZnO的稀磁半導體(DMS)材料有望成為構造全新短波長自旋光電子器件以來，有關ZnO基DMS一維納米結構的研究陸續有報導，但其制備方法主要集中于物理或化學氣相沉積，如利用熱化學氣相沉積法制備的ZnO:Co單晶納米棒陣列(見《應用物理快報》，Appl.Phys.Lett.2004年，第85卷，第1027頁)，采用激光脈沖沉積在Si襯底上的Co摻雜ZnO單晶納米錐陣列(見《應用物理快報》，Appl.Phys.Lett.2005年，第87卷，第173119頁)，以及采用熱蒸發與化學氣相沉積制備的Mn摻雜ZnO納米線等(見《應用物理快報》，Appl.Phys.Lett.2003年，第83卷，第4020頁，以及Appl.Phys.Lett.2005年，第87卷，第172505頁)。在這些ZnO基DMS一維納米結構的制備方法中，大部分包含有氣相沉積過程。從蒸發、輸運，到成核、擴散和生長的過程中，反應物濃度和比例都是在不斷變化的，因而會產生金屬或金屬氧化物雜質；同時反應物濃度的不均勻和成核的先后不同，導致磁性原子在ZnO成核過程中很容易被排斥出核外，這必然會影響到磁性原子摻雜的有效性、均勻性和含量可控性；由于在一維納米結構的生長過程中同時伴有新核的產生，因而產物的形貌和尺寸很難控制。

發明內容：

本發明提出一種制備ZnO基稀磁半導體納米線陣列的方法，可從原理上確保不會產生金屬和金屬氧化物雜質，能均勻而有效地引入磁性原子且含量可控，該納米線及其陣列的尺寸可調。

本發明制備ZnO基稀磁半導體納米線陣列的方法，其特征在于：先在雙通絕緣模板的一面采用蒸鍍或濺射的方法制備一層導電物質，然后將其浸沒在水或M-Zn合金電鍍液中，在低于1Pa的壓力下抽真空5～60min；然后將抽好真空的模板上有導電物質的一面做陰極，采用石墨或鉑做陽極，以0.1～10mA/cm²進行M-Zn合金的電化學共沉積10min～10h；將沉積好的樣品在300～600℃的氧氣或空氣中保溫不少于30h，即得到ZnO基稀磁半導體納米線陣列；所述M-Zn合金中的M＝Fe、Co和/或Ni。

本發明方法中，采取將一面有導電物質的模板浸沒在水或者M-Zn合金電鍍液中抽真空處理，是為了將模板孔洞中的氣泡排出，以便在接下來的電化學共沉積過程中，金屬離子能夠進入模板孔洞，從而實現納米線連續致密的沉積；由于通常所用的機械泵真空度都可達到0.01～1Pa的壓力，因此一般可以在5～60min內就能將模板孔洞中的氣泡充分地排出。本發明方法在電化學共沉積過程中，電流密度不宜小于0.1mA/cm²，否則沉積速度太慢；電流密度也不宜大于10mA/cm²，否則金屬離子將會沉積到模板表面，從而得不到連續致密的納米線；電化學沉積的時間可根據所需要的納米線長度控制在10min～10h之間。電化學共沉積好的樣品，需要在高溫的氧氣或空氣中保溫一段時間，以便鋅能夠完全氧化成氧化鋅，溫度在300℃以下時，鋅的氧化速度太慢，且難以氧化完全，在600℃以上時，模板容易晶化變形；本發明方法中采取保溫30小時以上，以確保鋅氧化完全，并在鋅完全氧化為氧化鋅的同時，使均勻分布的少量磁性金屬原子均勻進入到氧化鋅的晶格中，從而得到ZnO基稀磁半導體納米線陣列。

與已有氣相沉積技術相比，本發明方法具有顯著進步的效果體現在：

1、由于本發明采用了電化學共沉積過程，反應物的濃度和比例自始至終都比氣相沉積方法穩定得多，使得產物中不會產生金屬和金屬氧化物雜質；由于本發明中的電化學沉積條件非常穩定，因而鋅原子和磁性原子都是按原子比進行沉積的，使得磁性原子的分布達到分子水平的均勻，與氣相方法相比，本發明克服了磁性原子難于有效引入以及摻雜不均勻的缺點。

2、本發明方法中由于采用模板，使合成的DMS納米線陣列中納米線的直徑與模板的孔徑一致；所制備納米線的長度可以由電沉積的電流密度和時間精確控制。這克服了氣相沉積方法中由于反應物濃度不均勻和成核先后不同造成的納米線尺寸難于控制的問題。

3、采用本發明方法進行電化學共沉積納米線陣列，可以簡便地通過改變電鍍液配方來精確控制合金納米線陣列中各元素的含量，克服了氣相沉積方法中由于反應物濃度不均勻和磁性原子容易排斥出核外造成的磁性原子含量難以控制的問題。

附圖說明：