本发明专利技术属于低维纳米材料和纳米技术领域，特别涉及一种用箱式电阻炉通过流变相化学反应与物理气－液－固晶体生长机制相结合的气相沉积制备单晶掺杂氧化锌纳米管的方法及其装置。该方法是将氧化锌粉末及用于掺杂的选自锑、镉、铜及铁中任一种金属氧化物粉末混合，溶解在稀醋酸或稀硝酸溶液中制成锌盐溶液，然后与聚乙烯醇混合，加热，搅拌，陈化形成凝胶，将其移入带有盖的石英钳埚中，在箱式电阻炉中升温，加热，反应，冷却，大量的单晶掺杂氧化锌纳米管生成，掺杂量为氧化锌的０．１～５％ｍｏｌ，直径为２０～２００ｎｍ，长度达０．５～１０μｍ。该方法工艺简单，对设备要求低，可控程度高，是单晶掺杂氧化锌纳米管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
，特别涉及一种用箱式电阻炉通过流变相化学反应与物理气-液-固晶体生长机制相结合的气相沉积制备单晶掺杂氧化锌纳米管的方法及其装置。
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。自从日本NEC公司的电子显微镜学家Iijima发现碳纳米管以来，有关管状结构的纳米材料，尤其是单晶纳米管的实验合成一直是研究的热点和重点。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，所以，研究一种成本低，可控性好的单晶掺杂的氧化锌纳米管的制备方法及其装置有着十分重大的意义。在中国专利CN84107349.1“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CN1202017C“金属阳离子掺杂的钒氧化物纳米管及其制备方法”中通过液相法得到过不同金属阳离子掺杂的钒氧化物纳米管。
技术实现思路
本专利技术的一目的是提供一种成本低廉、可控性好、气相沉积制备单晶掺杂氧化锌纳米管的方法。本专利技术的另一目的是提供一种气相沉积制备单晶掺杂氧化锌纳米管的装置。本专利技术提供的技术方案是使用一种箱式电阻炉，运用垂直流变相反应与气-液-固晶体生长机制相结合的方法，得到一种单晶掺杂的氧化锌的管状纳米结构，其特点是该纳米管中掺杂有选自锑、镉、铜及铁中任一种金属氧化物，掺杂量为氧化锌的0.1～5％mol，纳米管为单晶结构，直径为20～200nm，长度达0.5～100μm。本专利技术的气相沉积制备掺杂氧化锌纳米管的方法步骤为(1)将氧化锌粉末(ZnO)(纯度＞98％，粒径＜500μm)及用于掺杂有选自锑、镉、铜及铁中任一种金属氧化物粉末(纯度＞98％，粒径＜500μm)混合，混合量为氧化锌的0.2～10％mol，混合后的粉末溶解在稀醋酸或稀硝酸溶液中制成0.1～4M的醋酸或硝酸锌溶液，以每25～500ml这样的锌盐溶液与1～20g聚乙烯醇混合，然后在50～100℃下加热并搅拌1～5小时后，陈化8～72小时形成凝胶态产物；(2)将步骤(1)得到的凝胶态产物(反应原料)移入石英钳埚中并盖上石英钳埚盖，在箱式电阻炉中升温，升温速度为20～100℃/分钟，加热到400～1200℃，10～180分钟后反应完全；在石英钳埚盖上得到气相沉积产品，即可得到掺杂氧化锌纳米管，掺杂有选自锑、镉、铜及铁中任一种金属氧化物，掺杂氧化锌纳米管的掺杂量为氧化锌的0.1～5％mol，掺杂氧化锌纳米管的直径为20～200nm，长度达0.5～100μm。本专利技术的方法能用如下本专利技术的装置实现本专利技术的装置是由箱式电阻炉3、石英钳埚2及石英钳埚盖4组成，如图1所示。一加热源的箱式电阻炉3，在箱式电阻炉3的温区处放置有石英钳埚2，在石英钳埚2的上面有石英钳埚盖4，在石英钳埚2中放有反应原料1。所述的掺杂氧化锌纳米管为单晶态。本专利技术的方法工艺简单，对设备要求低，可控程度高，是单晶掺杂氧化锌纳米管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2、图2A及图2B分别为实施例1产物的低倍扫描电镜图(SEM)、单根纳米管的高分辨扫描电镜图(HRSEM)及单根纳米管上的选区成份能谱图(EDS)。图3、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)、单根纳米管的高倍透射电镜图、选区电子衍射谱图(SAED)及大量产物的X-射线衍射谱(XRD)。附图标记1.反应原料2.石英钳埚3.箱式电阻炉4.石英钳埚盖具体实施方式实施例1(1)将4.07g氧化锌(ZnO)粉末(纯度99.9％，粒径＜500μm)及用于掺杂的氧化锑粉末(Sb2O3，0.58g，纯度99.99％，粒径＜500μm)混合制成0.5M醋酸锌溶液，醋酸锌溶液与聚乙烯醇的配比为20ml/g；(2)步骤(1)的配料100ml溶液在250ml锥形瓶中60℃加热并搅拌2小时后，陈化24小时形成凝胶态产物；(3)步骤(2)得到的凝胶态产物移入如图1所示的石英钳埚中并盖上石英钳埚盖，在箱式电阻炉中以50℃/分钟升温速度加热到500℃，20分钟后反应完全；(4)步骤(3)得到的气相沉积产品在石英钳埚盖上，即可得到锑掺杂氧化锌纳米管。分析测试表明(见附图2～图3C)，产物主要由锑掺杂的氧化锌纳米管组成，根据电子能谱EDS，见图2B，可知是掺杂锑大约为2.0％mol，根据描扫SEM(见图2和图2A)和透射电镜TEM(见图3和图3A)，纳米管长为约6μm，直径大约为50nm)，纳米管的结构为六方单晶型态(根据选区电子衍射SAED(见图3B)和X-射线衍射XRD(见图3C)。实施例2(1)将4.07g氧化锌(ZnO)粉末(纯度99.9％，粒径＜500μm)及用于掺杂的氧化镉粉末(CdO，O.09g，纯度99.998％，粒径＜500μm)混合制成0.5M醋酸锌溶液，醋酸锌溶液与聚乙烯醇的配比为50ml/g； (2)步骤(1)的配料100ml溶液在250ml锥形瓶中80℃加热并搅拌1小时后，陈化48小时形成凝胶态产物；(3)步骤(2)得到的凝胶态产物移入如图1所示的石英钳埚中并盖上石英钳埚盖，在箱式电阻炉中以80℃/分钟升温速度加热到800℃，90分钟后反应完全；(4)步骤(3)得到的气相沉积产品在石英钳埚盖上，即可得到镉掺杂氧化锌纳米管。产物主要由镉掺杂的氧化锌纳米管组成(根据电子能谱EDS，可知是掺杂CdO大约为0.7％mol)，纳米管长约为4μm，直径大约为80nm(根据描扫SEM和透射电镜TEM)，纳米管的结构为六方单晶型态(根据选区电子衍射SAED和X-射线衍射XRD)，图略。实施例3(1)将4.07g氧化锌(ZnO)粉末(纯度99.99％，粒径＜500μm)及用于掺杂的氧化铜粉末(CuO，0.13g)(纯度99.9999％，粒径＜500μm)混合制成0.5M醋酸锌溶液，醋酸锌溶液与聚乙烯醇的配比为50ml/g；(2)步骤(1)的配料100ml溶液在250ml锥形瓶中70℃加热并搅拌1.5小时后，陈化48小时形成凝胶态产物；(3)步骤(2)得到的凝胶态产物移入如图1所示的石英钳埚中并盖上石英钳埚盖，在箱式电阻炉中以80℃/分钟升温速度加热到900℃，90分钟后反应完全；(4)步骤(3)得到的气相沉积产品在石英钳埚盖上，即可得到铜掺杂氧化锌纳米管。产物主要由铜掺杂的氧化锌纳米管组成(根据电子能谱EDS，可知是掺杂CuO大约为1.6％mol)，纳米管长约为8μm，直径大约为100nm(根据描扫SEM和透射电镜TEM)，纳米管的结构为六方单晶型态(根据选区电子衍射SAED和X-射线衍射XRD)，图略。实施例4(1)将4.07g氧化锌(ZnO)粉末(纯度99.99％，粒径＜500μm)及用于掺杂的氧化铁粉末(Fe2O3，0.19g，纯度99.998％，粒径＜500μm)混合制成0.5M醋酸锌溶液，醋酸锌溶液与聚乙烯醇的配比为40ml/g； (2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种气相沉积制备单晶掺杂氧化锌纳米管的方法，其特征是，所述的方法的步骤为：（１）将氧化锌粉末及用于掺杂有选自锑、镉、铜及铁中任一种金属氧化物粉末混合，混合量为氧化锌的０．２～１０％ｍｏｌ，混合后的粉末溶解在稀醋酸或稀硝酸溶液中制成０ ．１～４Ｍ的醋酸或硝酸锌溶液，以每２５～５００ｍｌ这样的锌盐溶液与１～２０ｇ聚乙烯醇混合，然后在５０～１００℃下加热并搅拌，陈化，形成凝胶态产物；（２）将步骤（１）得到的凝胶态产物移入石英钳埚中并盖上石英钳埚盖，在箱式电阻炉的中升温 ，升温速度为２０～１００℃／分钟，加热到４００～１２００℃；在石英钳埚盖上得到气相沉积产品，即可得到掺杂氧化锌纳米管，掺杂氧化锌纳米管的掺杂量为氧化锌的０．１～５％ｍｏｌ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周少敏，张晓宏，孟祥敏，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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