一种花状微球的镁掺杂氧化锌材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种花状微球的镁掺杂氧化锌材料的制备方法，采用溶剂热法合成，属于无机化学和材料合成技术领域。掺杂镁与锌的摩尔比为0.1％～4％，制备方法是将醋酸锌、醋酸镁与氨三乙酸按一定摩尔比混合，溶于乙二醇和丙酮的混液中，再置于反应釜中进行溶剂热合成反应。然后将溶剂热产物洗涤并抽滤，并用二甲基甲酰胺溶解有机物杂质，真空干燥后退火处理获得花状微球结构镁掺杂氧化锌。本方法的优点在于工艺简单，成本低，重复性高，制备过程中不使用有毒试剂，对环境友好。所制备的镁掺杂氧化锌呈现由纳米棒组装而成的花状微球结构，结晶度高，分散性好，具有大的表面积，在光催化、传感器和新能源等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种花状微球的镁掺杂氧化锌材料的制备方法
本专利技术属于半导体材料制备
，涉及光电材料、传感器材料的制备，具体涉及一种花状微球的镁掺杂氧化锌材料的制备方法。
技术介绍
氧化锌是一种多功能半导体材料，因其具有良好的光学、压电、光敏、气敏、光催化、电导等特性，使其可以广泛用于太阳能电池、压电传感器、气敏传感器、发光二极管、紫外光探测器、半导体激光器等。为了进一步提高它的电、光、磁方面的性能，可以掺入不同的杂质元素。在氧化锌中掺入镁，可以调节禁带宽度，实现能带工程。理论上通过调节镁的含量可以实现Zn1-xMgxO(ZMO)的禁带宽度在3.37～7.8eV之间连续可调。当ZMO晶体中镁含量较小时，镁原子进入ZMO晶格中取代了部分锌原子，ZMO的晶体结构与ZnO相同，为六方纤锌矿结构，但是随着镁的摩尔百分比的增加，晶体结构会转变为MgO的立方结构。研究表明镁的掺杂摩尔百分比在0～40％范围变化时，可以使ZMO的禁带宽度在3.3eV到4eV之间有效连续调节且晶体结构与ZnO相同(T.Makino,Y.Segawa,M.Kawasaki,AppliedPhysicsLetters,1998,78,123)。由于Mg2+与Zn2+的离子半径差异不大，分别为和替换掺杂难度小，在一定的x范围内能与氧化锌的晶格匹配。这种带隙可调的ZMO可作为氧化锌基半导体量子阱、异质结和超晶格结构的势垒层，从而实现电学和光学性能可裁剪的新型半导体光电器件，可能得到覆盖蓝光到紫外光谱区域的半导体激光器、探测器等光电器件。在太阳能窗口层方面，相对纯氧化锌，镁掺杂氧化锌薄膜能够实现带隙宽化，在增强对紫外光吸收的同时，带隙的增加会导致异质结界面势垒增高，减小异质结中载流子遂穿几率，减小反向饱和电流，使开路电压变大，提高电池异质结的质量，改善短波区的光谱响应。另外，镁的掺杂能够使氧化锌材料的电阻增大，能够进一步降低光生电子的纵向移动，降低光电流短路的现象，增强光电流的对外输出能力。ZiqingDuan等人在Cu2O-MgxZn1-xO异质结太阳能电池研究中，用镁掺杂氧化锌代替纯氧化锌做窗口层，发现太阳能电池的光电转化效率得到了提高(Z.Duan,A.DuPasquier,Y.Lu,Y.XuandE.Garfunkel,SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2012,96,292.)。此外，通过掺杂镁可以改变其发光特性，在短波长纳米发光器件和纳米光电子器件领域具有应用前景和科研价值。目前制备镁掺杂氧化锌的方法比较多。最早系统研究ZMO合金的是日本的A.Ohtomo研究小组。他们利用脉冲激光沉积法制备了ZMO合金薄膜(A.Ohtomo,M.Kawasaki,T.Koida,etal.,Appl.Phys.Lett.,1998,72(19):2466.)。W.I.Park等人用金属有机气相沉积法制备了ZMO薄膜(W.I.Park,G.C.Yi,H.M.Jang,Appl.Phys.Lett.,2001,79:2022.)，T.Takagi等用分子束外延法制备了ZMO薄膜(T.Takagi,T.Tanaka,H.Fujita,etal.,J.Appl.Phys.,2003,42:401.)。Y.W.Heo报道使用MBE技术制备出ZMO纳米棒(Y.W.Heo,M.Kaufman,K.Pruessner,etal.,Solid-StateElecortnics,2003,47:2263.)。M.Loernz等用高压激光脉冲沉积法制备了ZMO纳米线阵列(M.Loernz,E.M.Kaidashev,A.Rahm,etal.,Appl.Phys.Lett.,2005,86:143113.)。WonIPark等人用金属有机物气相外延法制备了ZMO棒(WonIPark,SungJinAn,JiaLong,etal.,J.Phys.Chem.B.,2004.108:15457-15460.)。浙江大学支明佳等用热蒸发法制备了不同形貌的ZMO纳米线。这些研究方法大多需要昂贵的仪器设备和比较苛刻的实验条件。而溶剂热法具有操作简单，成本低，制备的产物纯度高、晶粒发育完整，分布均匀，颗粒团聚较少，化学组成和形貌可控等优点。溶剂热合成研究特点之一是研究体系一般处于非理想非平衡状态，反应时避免水的干扰，有利于非水条件下的均相反应。目前未见溶剂热反应条件下采用有机络合制备镁掺杂氧化锌纳米结构的研究报道。本专利技术提供了一种采用简单溶剂热法制备花状微球结构的镁掺杂氧化锌的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种工艺简单、成本低，重复性高，成分绿色环保和形貌可控的镁掺杂氧化锌材料的制备方法，以醋酸锌、醋酸镁分别作为Zn2+源、Mg2+源，与氨三乙酸按一定的摩尔比混合，溶解于由乙二醇和丙酮组成的混液中，再置于反应釜中溶剂热合成镁锌-有机螯合物。反应结束后，冷却至室温，然后用乙醇和丙酮洗涤，抽滤得到有机螯合物固体粉末，再用二甲基甲酰胺溶解粉末中其它有机物杂质，以提高产品纯度等级。接着真空干燥，除去易挥发的丙酮及水分，最后通过退火处理使得螯合物降解生成金属氧化物。本专利技术实现上述目的的技术方案具体为：一种花状微球的镁掺杂氧化锌材料的制备方法，包括如下步骤：(1)在乙二醇中加入丙酮，混合均匀，形成混合溶剂；(2)在混合溶剂中加入醋酸锌，搅拌使其充分溶解；(3)再加入醋酸镁，搅拌使其充分溶解；(4)再加入氨三乙酸，搅拌均匀，得反应溶液；(5)将步骤(4)所得反应溶液置于反应釜中，在180～200℃恒温反应6～12小时后自然冷却至室温，得到溶剂热产物；(6)将步骤(5)所得的溶剂热产物用无水乙醇、丙酮和去离子水分别洗涤2～5次，抽滤得到固体；(7)将步骤(6)所得的固体产物在200ml二甲基甲酰胺中40～60℃搅拌0.5～2小时后抽滤，然后将其放置在50～80℃下真空干燥12～48小时；(8)将步骤(7)干燥后的固体在空气中400～550℃恒温退火1～2小时，再自然冷却至室温，获得最终产物。进一步，醋酸锌在反应溶液中的浓度为0.05～0.1mol/L，氨三乙酸在反应溶液中的浓度为0.067～0.133mol/L，醋酸镁与醋酸锌的摩尔比为0.1％～4％，乙二醇与丙酮的体积比为10：1。进一步，所述的反应溶液的体积占反应釜体积的60～80％。在本专利技术的一个优选例中，所述的醋酸锌浓度为0.067mol/L，醋酸镁与醋酸锌的摩尔比为4％，氨三乙酸浓度为0.1mol/L，溶剂热反应温度为200℃，反应时间12小时，溶剂热产物用无水乙醇、丙酮和去离子水分别洗涤3次，抽滤得到的固体产物在200ml二甲基甲酰胺中40℃搅拌1小时后抽滤，然后将其放置在60℃下真空干燥24小时；最后进行退火处理，退火温度为500℃，退火时间1小时。本专利技术参与反应的试剂均为分析纯，市售。为研究所制备的材料的结构、形貌、成分以及光学性能，对所制备样品进行了X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜分析(SEM)，能量色散X射线光谱分析(EDS)，X射线光电子能谱分析(XPS)，紫外-可见光光谱(UV-Vis)分析。按照本专利技术公开的方法制备而成的镁掺杂氧化锌材料，从对其XRD图谱分析可知产物为纤维锌矿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种花状微球的镁掺杂氧化锌材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在乙二醇中加入丙酮，混合均匀，形成混合溶剂；(2)在混合溶剂中加入醋酸锌，搅拌使其充分溶解；(3)再加入醋酸镁，搅拌使其充分溶解；(4)再加入氨三乙酸，搅拌均匀，得反应溶液；(5)将步骤(4)所得反应溶液置于反应釜中，在180～200℃恒温反应6～12小时后自然冷却至室温，得到溶剂热产物；(6)将步骤(5)所得的溶剂热产物用无水乙醇、丙酮和去离子水分别洗涤2～5次，抽滤得到固体；(7)将步骤(6)所得的固体产物在200ml二甲基甲酰胺中40～60℃搅拌0.5～2小时后抽滤，然后将其放置在50～80℃下真空干燥12～48小时；(8)将步骤(7)所得的固体产物在空气中400～550℃恒温退火1～2小时，再自然冷却至室温，获得最终产物。

【技术特征摘要】
1.一种花状微球的镁掺杂氧化锌材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在乙二醇中加入丙酮，混合均匀，形成混合溶剂；(2)在混合溶剂中加入醋酸锌，搅拌使其充分溶解；(3)再加入醋酸镁，搅拌使其充分溶解；(4)再加入氨三乙酸，搅拌均匀，得反应溶液；(5)将步骤(4)所得反应溶液置于反应釜中，在180～200℃恒温反应6～12小时后自然冷却至室温，得到溶剂热产物；(6)将步骤(5)所得的溶剂热产物用无水乙醇、丙酮和去离子水分别洗涤2～5次，抽滤得到固体；(7)将步骤(6)所得的固体产物在200ml二甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：易捷，杨穗，王莽，钟建新，李红星，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43