[發明專利]一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法和應用

有效

• 申請號: 201010118165.0
• 申請日: 2010-02-26
• 公開（公告）號: CN101786653A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 楊國偉;朱宏干;楊玉華
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C01G9/02
• 分類號: C01G9/02;B82B3/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 黃磊

技術領域

本發明屬于納米材料的可控制備技術領域，特別涉及一種摻雜稀土元素氧 化鋅(化學式ZnO)一維納米材料的制備方法和應用。

背景技術

一維納米材料是指二維方向上為納米尺度，另一維方向在長度上為宏觀尺 度的新型材料，包括納米線、納米棒、納米管和納米帶等。由于它們在尺度上 非常小，量子效應已經不能忽略，因此在物理和化學上表現出與對應宏觀材料 截然不同的新奇性質，使其在光學、電子學、電磁學、生物醫學等眾多領域展 現出了美好的應用前景，并成為納米科技的研究前沿，因此也吸引著物理、化 學、材料、生物等領域的專家及研究者投入一維納米材料的研究工作中。

半導體一維納米結構在器件上的應用已經成為當今納米科學研究中的一 個熱點。而要實現這些應用，必須要求在半導體納米材料的制備和摻雜的過程 中能準確地控制晶體的形貌、結晶狀態、生長取向和摻雜元素的濃度等。到目 前為止，這些問題依然是一個相當大的挑戰。一般來說，純凈的半導體納米材 料的應用范圍有限，而通過摻雜可以非常有效地改良其性能，拓寬它們的應用 范圍。

ZnO是其中一種非常有應用前景的寬帶隙半導體材料，在室溫下，具有比 較大的直接帶隙(3.37eV)和激子結合能(60meV)。在電子束和紫外光的激 發下，它的納米結構，如納米線、納米針、納米棒、納米帶和納米花等可以表 現出優異的紫外光發光性能，目前已經在短波激光器和LED上得到了應用。 另一方面，經過不同的稀土離子摻雜后，它的發光特性得到顯著修飾，可以發 射特定波長而且強度很強的可見光，在平板顯示技術、半導體激光器以及紅外 集成光電器件等領域上具有重要的應用價值。本發明所指的稀土是指化學元素 周期表中鑭系元素中的15種元素——鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、 钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺 (Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)15個，以及第三副族中的兩個元素—— 鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素。

然而，成功制備摻雜稀土元素的ZnO一維納米結構在目前仍然具有許多 困難。造成這方面的原因是稀土元素的離子半徑比ZnO晶格中的陽離子大得 多，導致稀土離子和ZnO之間很低的固溶度，或根本不固溶。

目前，稀土摻雜ZnO一維納米材料的制備方法主要包括濕化學法、熱蒸 發法和離子注入法。其中濕化學法包括水熱法、微乳液法和凝膠-溶膠法。濕 化學方法在合成稀土摻雜一維納米材料方面存在很大的問題，制備出來的晶體 存在很多的缺陷和較差的結晶情況，稀土元素更多地存在于晶粒之間的晶界或 缺陷中，而這些地方恰好是發光的淬滅中心，極大程度地降低了它的發光效率。 熱蒸發法需要在很高的溫度下進行，而且由于稀土和ZnO的蒸發產率不同， 導致很難控制產物的組分比例。對于離子注入法，由于稀土離子經過加速之后 具有很高的能量，在注入的過程中難以避免地對晶體造成損害，而且隨著離子 注入深度的不同，摻雜的濃度不一樣，很難達到均勻摻雜。

發明內容

為了解決上述現有技術中存在的不足之處，本發明的首要目的在于提供一 種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法；該方法利用T型激光反應 管式爐，運用脈沖激光沉積技術，基于氣-液-固(VLS)生長機制，制備摻 雜稀土元素氧化鋅一維納米結構；該方法操作簡單、耗時少、可工業化制備。

本發明的另一目的在于提供上述方法制備的摻雜稀土元素氧化鋅一維納 米材料。

本發明的再一目的在于提供上述一維納米材料的應用。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種摻雜稀土元素氧化 鋅(ZnO)一維納米材料的制備方法，包括以下操作步驟：

(1)將氧化鋅和稀土元素的氧化物混合，研磨，壓制，在900～1200℃ 的溫度下燒結，得到摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶；

(2)將鉬桿通過T型石英管的豎臂伸入T型石英管的橫臂中，將摻有稀 土元素的氧化鋅陶瓷靶置于鉬桿末端，將襯底置于T型石英管的橫臂中，所 述襯底位于摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶的下方，襯底和摻有稀土元素的氧化 鋅陶瓷靶的垂直距離為20～23mm，水平距離為2～6cm；鉬桿由微步電動機 帶動，以3～10周/分鐘的速度旋轉；