水浴法制备掺杂氧化锌纳米材料探究

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水浴法制备掺杂氧化锌纳米材料探究【摘要】本文概述了ZnO金属元素和非金属元素的掺杂，制备出薄膜、粉末或者纳米棒，分别从XRD、吸收光谱和光致发光等方面进行了表征。【关键词】ZnO掺杂；溶胶-凝胶；水热法1.引言氧化锌(ZnO)是一种新型的宽禁带半导体材料，具有六角纤维锌矿结构。由于是直接带隙，电子跃迁率大，适合作为光电发射器件；也可以用在紫外激光、光致发光和太阳能电池等领域。而掺杂的氧化锌材料具有新的光电特性，掺杂的种类很多，本文介绍金属掺杂和非金属元素掺杂。2.金属元素的掺杂采用溶胶-凝胶法在玻璃基底上制备了ZnO：Li薄膜［1］。以乙酸锌、无水乙醇、乙醇胺、和氯化锂为前驱体，制备掺杂元素的胶体，用匀胶机旋涂在抛光并且清洗干净的石英玻璃衬底上，得到不同厚度的薄膜。采用XRD表征，薄膜厚度越厚，薄膜的(002)晶面择优生长越强，归因于晶粒生长受衬底晶格失配和晶格缺陷的影响较小。分光光度计测量的吸收谱表明，薄膜越厚，平均透射率下降，紫外光区的吸收边往长波方向移动；这是因为，薄膜越厚，晶粒粒径越大，越容易产生光学散射和带隙变窄。荧光光谱表明，薄膜层数 越多，发光峰强度呈现增强的趋势，普遍认为禁带宽度的变小有利于带间跃迁和激子复合。另外薄膜在六层时，方阻最小。改变退火温度，对ZnO:Li薄膜特性进行了深入的研究[2],退火温度在4500C〜5500C时，制备的薄膜择优生长性强，光学透过率在90%以上，电阻率较小。随退火温度的提高，减少了内部缺陷，加强了晶粒C轴的择优生长，提高了结晶质量；而光线受不同晶向的散射变弱，透过率得到提高。采用水热法结合溶胶.凝胶法在Si02：基片上制备了不同AI含量掺杂的ZnO纳米棒阵列[3].通过x射线衍射仪（XRD），电子扫描显微镜（SEM），透射光谱和光致发光光谱仪（PL）等测量手段，分析了薄膜样品的微结构、表面形貌、透射及光致发光特性。结果表明，制备出的薄膜具有良好的结晶质量和明显的沿（002）方向择优取向生长。透射谱分析显示，样品的吸收边随A1含量的增加出现明显的红移现象。PL谱分析表明，掺杂A1以后，薄膜出现强的橙红光发射光谱带，通过谱线拟合，发现在可见光波段的缺陷发光主要是位于能量为1.92eV和2.15eV的红光及黄光发射，主要发光机理为zn缺陷发射。采用水热法制备了Co掺杂ZnO粉晶[4]，研究了水热时间t（t=2，3，6h）对其微结构、形貌和磁性的影响。结果表明：随水热时间增加，Co掺杂ZnO晶胞参数和微应变减小，均具有六方柱形貌。水热时间为2h时显示弱铁磁性，合成时间为3h时具有最强的铁磁特性，六方纳米柱形状明显变 长，结晶性能最好。水热时间为6h时显示为顺磁性，六方纳米柱形貌有“融化”趋势。相对于未掺杂ZnO，Co掺杂有利于单一ZnO相的形成。采用简单的湿化学法在IT0玻璃衬底上直接生长了纳米棒团簇结构的Co掺杂ZnO薄膜，研究表明此法成本低廉、收益高、重复性良好，是制备Co掺杂ZnO磁性纳米晶体的好方法［5］。Co掺杂ZnO样品的结构采用XRD和SEM进行了分析。XRD结果表明掺杂的ZnO是六角纤锌矿结构。SEM结果表明掺杂样品是由ZnO纳米棒团簇结构组成，且团簇的密度随着Co掺杂浓度的增大而增大。薄膜的光致发光光谱结果表明Co掺杂导致ZnO薄膜的带隙发生红移。采用温和的水热法、三种不同的矿化剂成功合成了稀土铕（Eu）掺杂的氧化锌（ZnO）样品［6］，并利用XRD、SEM、TEM和XPS对样品的结构和形貌进行了表征和分析。结果表明：稀土Eu离子以+3价成功地掺人到ZnO晶格中.并且采用不同矿化剂可以得到不同形貌的Zn0材料，三种矿化剂生长的ZnO的形貌分别为纳米棒、纳米针和纳米片。1.非金属元素的掺杂以硝酸锌为锌源，氨水为沉淀剂，壳聚糖为添加剂，通过溶胶一凝胶法制备出粒度小、形貌分布均匀、氮掺杂量高的肤色氮掺杂纳米、ZnO晶体［7］，研究了壳聚糖对产品微观结构及性能的影响.采用SEM、TEM、XRD和IR等手段对产品 微观结构进行了表征，对其抗菌性能进行了评价.结果表明：添加壳聚糖有利于凝胶的快速形成，而且可通过壳聚糖的添加量有效控制纳米晶体的大小、形貌以及氮掺杂量，最终得到平均粒径为30nm的球形氮掺杂纳米ZnO晶体，晶相与标准立方相ZnO衍射峰完全一致，没有其他杂相出现，颜色为均匀的红色.和普通的纳米ZnO晶体相比，抑菌结果显示合成的氮掺杂纳米ZnO晶体对大肠杆菌具有优良的抗菌性。4.结束语本文介绍了采用溶胶-凝胶法在玻璃基底上制备了ZnO：Li薄膜、在SiO:基片上制备了不同AI含量掺杂的ZnO纳米棒阵列、采用水热法制备了Co掺杂ZnO粉晶、采用简单的湿化学法在IT0玻璃衬底上直接生长了纳米棒团簇结构的Co掺杂ZnO薄膜，并且简述了其掺杂特性；并且概述了氮掺杂量高的肤色氮掺杂纳米、ZnO晶体。参考文献：［1］陈新华，胡跃辉，张效华等.溶胶-凝胶法制备Li掺杂ZnO纳米薄膜及其表征［J］.真空科学与技术学报，2013，33(5)：397-401.［2］李建昌，李永宽，姜永辉.退火温度对LI掺杂ZnO电特性影响[J].东北大学学报，2012,33(8):1174-1178.[3]丁琼琼，方庆清，王伟娜等.水热法辅助溶胶凝胶法制备A1:ZnO纳米棒阵列及发光性能研究[J].人工晶体学报， 2012，41(6)：1566-1571.[3]王古平，杨建成，王成.水热时间对Co掺杂ZnO微结构与磁性的影响[J].台州学院学报，2012,34(6)：1-6.[4]王爱华，姬晓旭，吕林霞.湿化学法合成Co掺杂ZnO薄膜的微结构及发光特性[J].低温物理学报，2012,34(2)：134-137.[5]周晓光.矿化剂辅助水热法生长Eu掺杂ZnO材料研究[J].吉林师范大学学报，2012，(3):50-54.[6]李建国，蒋向东，王继氓等.溶胶一凝胶法制备氮掺杂纳米ZnO及其抗菌性能研究[J].印染助剂，2012,29(1)：23-26.作者简介：沈耀国(1979-)，男，讲师，闽江学院物理学与电子信息工程系。