本发明专利技术属于低维纳米材料和纳米技术领域，公开了一种气相沉积制备掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀的方法及其装置。本发明专利技术是将硝酸锌及用于掺杂的金属硝酸盐混合，溶解在去离子水中形成溶液，然后与柠檬酸和乙二醇混合，加热，搅拌，形成溶胶－凝胶，裂解得到前躯体，随后将其移入陶瓷舟中，在管式电阻炉中升温，加热，反应，输运，冷却，用惰性气体作为输运气体，用硅片作为基地，大量的掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀生成在硅片上。本发明专利技术工艺简单，对设备要求低，可控程度高，是掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀制备的好方法和好装置。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于低维纳米材料和纳米
，具体涉及一种通过溶胶-凝胶法和化学气相沉积相结合制备掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀的方法及其装置。
技术介绍
半导体掺杂是一个非常有效的改良其性能的途径，这不仅是因为在晶体的制备过程中很难避免杂质的混入，更主要的是为了控制半导体的性质，人为并且有控制地加入某些杂质。因此，从改善纳米材料本身的性质入手，就影响材料性能的重大基础性问题进行深入研究，有可能改良半导体器件的性能。已有的制备掺杂技术，包括离子束注入技术、金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)，其设备和原料均昂贵，工艺条件复杂及操作水平要求高，因此产品所需成本高。在中国专利CN1099816“氧化锌晶须的制备方法及其装置”中用在空气中蒸发的方法得到过氧化锌纳米晶须。另外，在中国专利CN1772625“一种制备高产量掺铟氧化锌纳米盘的方法”中通过高温化学气相沉积方法得到过金属阳离子掺杂的氧化锌纳米盘。所以，研究一种成本低，可控性好的单晶掺杂的氧化锌纳米层状结构的制备方法及其装置有着十分重大的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种成本低、可控性好的气相沉积制备掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀的方法及其装置。本专利技术提供的技术方案是：通过溶胶-凝胶法和化学气相沉积相结合制备掺杂单晶氧化锌螺丝刀状纳米结构，其具体方法步骤为：(1)将硝酸锌及用于掺杂的金属硝酸盐粉末混合，掺杂的金属硝酸盐的量为硝酸锌的0.2～10％mol，混合后的粉末溶解在去离子水中制成0.1～1.0mol/l的硝酸锌溶液；在每50ml的此硝酸锌溶液中分别加入5～7g柠檬酸和6～9ml乙二醇；制备的混合溶液在50～100℃搅拌得到溶胶，接下来在120～180℃条件下恒温得到凝胶；制备的凝胶在200～500℃恒温裂解得到无定形的C-Zn-O-M复合前驱体，将其研磨成粉末备用，其中M为掺杂金属；(2)将步骤(1)得到的复合前驱体粉末以3～40℃/min的速度升温，加热到-->600～1000℃，同时以惰性气体作为输运气体，恒温1～3h，降温至350～550℃即可收集得到掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀。作为优选，所述的硝酸锌的纯度>98％，用于掺杂的金属硝酸盐的纯度>98％，柠檬酸的纯度为99.9％，乙二醇的纯度为99.9％。作为优选，所述的用于掺杂的金属硝酸盐为选自硝酸铈、硝酸银和硝酸镁中的任一种。作为优化，所述步骤(1)中溶液搅拌1～2h得到溶胶，制备的溶胶恒温6～14h得到凝胶，制备的凝胶恒温裂解1～5h得到无定形的C-Zn-O-M复合前驱体，其中M为掺杂金属。作为优化，所述步骤(2)的升温速度为15～30℃/min，加热到900～1000℃。作为优化，所述的通入惰性气体的流速为每分钟450～550标准立方厘米，气氛压力为200～400托。作为优选，所述的惰性气体为氮气、氩气、氖气。所述的掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀的掺杂量为氧化锌的0.1～3％mol，掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀柄长度为0.04～10μm，六方柄棱长0.1～10μm，顶部长0.1～1.5μm，直径为5～500nm。本专利技术的方法可用如下本专利技术的装置来实现：本专利技术的装置是由一加热源的管式电阻炉、陶瓷舟、硅片和石英管组成，在管式电阻炉中的石英管的750～1000℃温区放有陶瓷舟，石英管的350～550℃温区放有硅片。本专利技术方法的工艺流程包括配液、溶胶、凝胶、裂解、后处理，操作简便，后期处理选用常规的管式电阻炉，对设备要求低，成本低，且因管式电阻炉为多点控温，温度梯度可按需设定，可控程度高，是掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀制备的好方法和好装置。附图说明图1本专利技术的装置示意图。图2A、图2B及图2C分别为实施例1产物的低倍扫描电镜图(SEM)、单根纳米螺丝刀的高分辨扫描电镜图(HRSEM)及单根纳米螺丝刀上的选区成份能谱图(EDS)。图3A、图3B、及图3C分别为实施例1产物的低倍透射电镜图(TEM)、选-->区电子衍射谱图(SAED)及大量产物的X-射线衍射谱(XRD)。具体实施方式下面以具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围不局限于此：实施例1(1)将2.97gZn(NO3)2·6H2O(纯度99.9％)及用于掺杂的硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O，0.43g，纯度99.9％)混合溶解到50ml去离子水中，在制备的溶液中分别加入柠檬酸(5.76g，纯度99.9％)和乙二醇(6.6ml，纯度99.9％)；(2)步骤(1)所得配料溶液在150ml锥形瓶中80℃加热并搅拌1h后得到溶胶，接下来在150℃条件下恒温8h得到凝胶；制备的凝胶在400℃恒温裂解1h，得到无定形的C-Zn-O-Ce复合前驱体，用研钵将其研磨成粉末备用；(3)如图1所示，将步骤(2)得到的C-Zn-O-Ce复合前驱体粉末5移入陶瓷舟2中，并将陶瓷舟2移于管式电阻炉1的石英管4的750～1000℃温区，同时将硅片3置于石英管4的350～550℃温区，以20℃/min的速度升温，加热到900℃，同时以每分钟530标准立方厘米的速度通入氮气作为输运气体，气氛压力为380托，恒温1h，降温至350℃用硅片3作为基地收集制备的产品；(4)步骤(3)得到的气相产品沉积在硅片上，即可得到铈掺杂的单晶氧化锌纳米螺丝刀。分析测试表明(见附图2A～图3C)，产物主要由铈掺杂的氧化锌纳米螺丝刀组成；根据电子能谱EDS，见图2C，可知是掺杂铈大约为1.1％mol；根据扫描电镜SEM(见图2A和图2B)和透射电镜TEM(见图3A)可知制备的纳米螺丝刀柄长度为4μm，六方柄棱长1μm，顶部长1.5μm，直径为200nm；根据选区电子衍射SAED(见图3B)和X-射线衍射XRD(见图3C)可知纳米螺丝刀的结构为六方单晶型态。实施例2(1)将3.29g Zn(NO3)2·6H2O(纯度99.9％)及用于掺杂的硝酸银(AgNO3，0.17g，纯度99.99％)混合溶解到50ml去离子水中，在制备的溶液中分别加入柠檬酸(5.99g，纯度99.9％)和乙二醇(7.6ml，纯度99.9％)；(2)步骤(1)所得配料溶液在150ml锥形瓶中90℃加热并搅拌1.5h后得到溶-->胶，接下来在170℃条件下恒温7h得到凝胶，制备的凝胶在350℃恒温裂解1.5h，得到无定形的C-Zn-O-Ag复合前驱体，用研钵将其研磨成粉末备用；(3)如图1所示，将步骤(2)得到的C-Zn-O-Ag复合前驱体粉末5移入陶瓷舟2中，并将陶瓷舟2移于管式电阻炉1的石英管4的750～1000℃温区，同时将硅片3置于石英管4的350～550℃温区，以15℃/min的速度升温，加热到950℃，同时以每分钟500标准立方厘米的速度通入氮气作为输运气体，气氛压力为300托，恒温2h，降温至400℃，用硅片3作为基地收集制备的产品；(4)步骤(3)得到的气相产品沉积在硅片上，即可得到银掺杂的单晶氧化锌纳米螺丝刀。分析测试表明：产物主要由银掺杂的氧化锌纳米螺丝刀组成，根据电子能谱EDS，可知是掺杂Ag大约为0.9％mol；根据扫描电镜SEM和透射电镜TEM可知螺丝刀柄长度为6μm，六方柄棱长3μm；顶部长1.0μm，直径为100nm；根据选区电子衍射SAED和X-射线衍射XRD可知纳本文档来自技高网...
【技术保护点】
气相沉积制备掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀的方法，其特征在于所述的方法的步骤为： （１）将硝酸锌及用于掺杂的金属硝酸盐粉末混合，掺杂的金属硝酸盐的量为硝酸锌的０．２～１０％ｍｏｌ，混合后的粉末溶解在去离子水中制成０．１～１．０ｍｏｌ／ｌ的硝 酸锌溶液；在每５０ｍｌ的此硝酸锌溶液中分别加入５～７ｇ柠檬酸和６～９ｍｌ乙二醇；制备的混合溶液在５０～１００℃搅拌得到溶胶，接下来在１２０～１８０℃条件下恒温得到凝胶；制备的凝胶在２００～５００℃恒温裂解得到无定形的Ｃ－Ｚｎ－Ｏ－Ｍ复合前驱体，将其研磨成粉末备用，其中Ｍ为掺杂金属； （２）将步骤（１）得到的复合前驱体粉末以３～４０℃／ｍｉｎ的速度升温，加热到６００～１０００℃，同时以惰性气体作为输运气体，恒温１～３ｈ，降温至３５０～５５０℃即可收集得到掺杂单晶氧化锌纳米 螺丝刀。
【技术特征摘要】
1.气相沉积制备掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀的方法，其特征在于所述的方法的步骤为：(1)将硝酸锌及用于掺杂的金属硝酸盐粉末混合，掺杂的金属硝酸盐的量为硝酸锌的0.2～10％mol，混合后的粉末溶解在去离子水中制成0.1～1.0mol/l的硝酸锌溶液；在每50ml的此硝酸锌溶液中分别加入5～7g柠檬酸和6～9ml乙二醇；制备的混合溶液在50～100℃搅拌得到溶胶，接下来在120～180℃条件下恒温得到凝胶；制备的凝胶在200～500℃恒温裂解得到无定形的C-Zn-O-M复合前驱体，将其研磨成粉末备用，其中M为掺杂金属；(2)将步骤(1)得到的复合前驱体粉末以3～40℃/min的速度升温，加热到600～1000℃，同时以惰性气体作为输运气体，恒温1～3h，降温至350～550℃即可收集得到掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀。2.如权利要求1所述的气相沉积制备掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀的方法，其特征在于所述的硝酸锌的纯度>98％，用于掺杂的金属硝酸盐的纯度>98％，柠檬酸的纯度为99.9％，乙二醇的纯度为99.9％。3.如权利要求1所述的气相沉积制备掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀的方法，其特征在于所述的用于掺杂的金属硝酸盐为选自硝酸铈、硝酸银和硝酸镁中的任一种。4.如权利要求1所述的气相沉积制备掺杂单晶氧化锌纳米螺丝刀的...
【专利技术属性】
技术研发人员：周少敏，李盛，巩合春，钟家富，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]
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