[發明專利]一種Al摻雜ZnO半導體納米柱的制備方法

無效

• 申請號: 200910238792.5
• 申請日: 2009-11-30
• 公開（公告）號: CN101704509A
• 公開（公告）日: 2010-05-12
• 發明（設計）人: 常永勤;楊林;崔興達
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產權代理事務所(普通合伙) 11296
• 代理人: 劉淑芬

技術領域

本發明屬于低維納米材料和納米技術領域，特別是關于Al摻雜ZnO半導體納米材料的制備方法。

背景技術

近年來發現ZnO納米材料在光學、催化、磁學、力學等方面展現出許多特殊的功能，使其在光學、電子、陶瓷、化工、生物、醫藥等許多領域有重要的應用價值，它所具有的特殊性和用途是普通ZnO無法比擬的。

摻雜是一種非常有效的改善ZnO納米材料性能的途徑，這也是ZnO納米材料應用的關鍵，早在數年前Ryu等就開展了ZnO薄膜的摻雜研究和p-n結生長的探索[Ryu?Y.R，Kim?W.J，Wllite?H.W.Fabrication?of?homostructural?ZnO?p-n?junctions.J.Cryst.Growth，2000，219：419-422]。目前比較有效的Al摻雜ZnO納米材料方法主要有磁控濺射法[江民紅，劉心宇.[100]取向Al-Ti共摻雜ZnO薄膜的制備與光電性能研究.無機材料學報，2008，23(6)，1101-1105]、化學氣相沉積法(CVD)[唐斌，鄧宏，稅正偉，韋敏，陳金菊，郝昕.摻AlZnO納米線陣列的光致發光特性研究.物理學報.2007，56(9)，5176-5179]和溶膠凝膠法[段學臣，劉揚林，李海斌，朱協彬，劉梓旗.專利200910043533.7，″摻鋁氧化鋅涂膜和納米棒陣列材料及其制備方法″]等，這些方法一般需要在真空環境下或非常壓條件下進行，其制備工藝要求操作水平高，重復性不好，而且成本昂貴。因而研究一種成本較低、可控性好的摻雜方法具有重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于克服在真空環境下或非常壓條件下，其制備工藝要求操作水平高，重復性不好，成本昂貴等方面的不足，提供一種成本低廉、可控性好，制備方法比較溫和，工藝簡單、成本較低的一種Al摻雜ZnO半導體納米柱的制備方法。

本發明的目的通過以下技術方案予以實現：一種Al摻雜ZnO半導體納米柱的制備方法，其具體制備步驟如下：

步驟1制備籽晶：按4∶1～2∶1的比例稱取Zn粉和Fe粉，均勻混合后作為蒸發源置于剛玉舟內；將作為收集產物的硅片先后用丙酮和乙醇清洗后吹干，將吹干后的硅片鍍有金膜面朝下，固定在剛玉舟的上方，保證硅片與蒸發源表面間的垂直距離為3～5mm，然后將剛玉舟放置在管式爐中的石英管中央，通入Ar氣使其保持30～50ml/min的氣流量，加熱到580～650℃并保溫10～20min，隨爐冷卻后在硅片鍍金層一面即可獲得ZnO納米籽晶。

步驟2制備生長溶液：分別量取摩爾濃度為0.03mol/L的六次甲基四胺(HMT)和六水合硝酸鋅(Zn(NO₃)₂·6H₂O)，配制成混合水溶液，再向溶液中加入九水合硝酸鋁(Al(NO₃)₃·9H₂O)，使Al³⁺與Zn²⁺的摩爾濃度之比在2～10％之間；將配制好的生長溶液在恒溫磁力攪拌器上加熱攪拌至85～95℃。

步驟3摻雜Al的ZnO納米柱的制備：將上述生長溶液恒定在85～95℃，并停止攪拌；再將ZnO納米籽晶放入生長溶液中進行生長，條件恒定在85～95℃下保溫4～6小時；取出硅片，用去離子水沖洗后放在空氣中，自然干燥。

步驟4摻雜Al的ZnO納米柱的潔凈處理：將上述自然干燥后的硅片再次放入管式爐中，溫度恒定在200～300℃之間，處理10～20min，以達到去除易揮發類雜質的效果，取出后再用去離子水洗凈，在空氣中放置，自然干燥。

本發明結合CVD和溶液生長兩種方法的優點，整合出一種簡單可行的Al摻雜ZnO半導體納米柱的制備方法，本發明的制備方法采用兩步法制備摻雜Al的ZnO納米柱，首先通過CVD方法制備出ZnO納米顆粒膜，然后以該顆粒膜作為籽晶在Al³⁺、Zn²⁺的六次甲基四胺溶液中結晶形成摻雜Al的ZnO納米柱(生長于ZnO納米籽晶基底上)。

本發明的有益效果在于：

1、本發明所提供的制備方法比較溫和，工藝簡單、成本低。

2、本發明提供的制備方法與一般CVD方法相比，不需要采用在真空中反應，同時生長的溫度更低，明顯地降低了生產成本。

3、本發明提供的制備方法在制作籽晶環節與溶膠凝膠法(涂膜法)相比，具有明顯的穩定性和可重復性。

4、與一般水熱法相比，該方法避免了使用反應釜，可以在常壓下進行，簡化了實驗條件。

附圖說明