一种掺杂稀土元素氧化锌一维纳米材料的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种掺杂稀土元素氧化锌一维纳米材料的制备方法。该方法包括步骤：将氧化锌和稀土元素的氧化物混合，研磨，压制，烧结，得到氧化锌陶瓷靶；将氧化锌陶瓷靶置于Ｔ型石英管中的钼杆上，将衬底置于氧化锌陶瓷靶的侧下方，钼杆旋转；将Ｔ型石英管抽真空，通入载流气体，气压达到４００～３０００Ｐａ，加热至６５０～７５０℃；引入激光光束，将激光光束聚焦到掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶上，调节激光光束的脉冲频率，对掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶进行烧蚀溅射，溅射产物沉积到衬底上；溅射结束后，冷却至室温，衬底上形成掺杂稀土元素氧化锌一维纳米材料。本发明专利技术方法操作简单、耗时少、易于掺杂，可以大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料的可控制备
，特别涉及一种掺杂稀土元素氧化锌 (化学式ZnO) —维纳米材料的制备方法和应用。
技术介绍
—维纳米材料是指二维方向上为纳米尺度，另一维方向在长度上为宏观尺度的新 型材料，包括纳米线、纳米棒、纳米管和纳米带等。由于它们在尺度上非常小，量子效应已经 不能忽略，因此在物理和化学上表现出与对应宏观材料截然不同的新奇性质，使其在光学、 电子学、电磁学、生物医学等众多领域展现出了美好的应用前景，并成为纳米科技的研究前 沿，因此也吸引着物理、化学、材料、生物等领域的专家及研究者投入一维纳米材料的研究 工作中。 半导体一维纳米结构在器件上的应用已经成为当今纳米科学研究中的一个热点。 而要实现这些应用，必须要求在半导体纳米材料的制备和掺杂的过程中能准确地控制晶体 的形貌、结晶状态、生长取向和掺杂元素的浓度等。到目前为止，这些问题依然是一个相当 大的挑战。 一般来说，纯净的半导体纳米材料的应用范围有限，而通过掺杂可以非常有效地 改良其性能，拓宽它们的应用范围。 ZnO是其中一种非常有应用前景的宽带隙半导体材料，在室温下，具有比较大的直 接带隙(3.37eV)和激子结合能(60meV)。在电子束和紫外光的激发下，它的纳米结构，如 纳米线、纳米针、纳米棒、纳米带和纳米花等可以表现出优异的紫外光发光性能，目前已经 在短波激光器和LED上得到了应用。另一方面，经过不同的稀土离子掺杂后，它的发光特性 得到显著修饰，可以发射特定波长而且强度很强的可见光，在平板显示技术、半导体激光器 以及红外集成光电器件等领域上具有重要的应用价值。本专利技术所指的稀土是指化学元素周 期表中镧系元素中的15种元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕 (Eu)、礼(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu) 15个，以及第三 副族中的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素。 然而，成功制备掺杂稀土元素的ZnO—维纳米结构在目前仍然具有许多困难。造 成这方面的原因是稀土元素的离子半径比ZnO晶格中的阳离子大得多，导致稀土离子和 ZnO之间很低的固溶度，或根本不固溶。 目前，稀土掺杂ZnO —维纳米材料的制备方法主要包括湿化学法、热蒸发法和离 子注入法。其中湿化学法包括水热法、微乳液法和凝胶-溶胶法。湿化学方法在合成稀土 掺杂一维纳米材料方面存在很大的问题，制备出来的晶体存在很多的缺陷和较差的结晶情 况，稀土元素更多地存在于晶粒之间的晶界或缺陷中，而这些地方恰好是发光的淬灭中心， 极大程度地降低了它的发光效率。热蒸发法需要在很高的温度下进行，而且由于稀土和ZnO 的蒸发产率不同，导致很难控制产物的组分比例。对于离子注入法，由于稀土离子经过加速 之后具有很高的能量，在注入的过程中难以避免地对晶体造成损害，而且随着离子注入深 度的不同，掺杂的浓度不一样，很难达到均匀掺杂。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种掺杂 稀土元素氧化锌一维纳米材料的制备方法；该方法利用T型激光反应管式炉，运用脉冲激 光沉积技术，基于气-液-固(VLS)生长机制，制备掺杂稀土元素氧化锌一维纳米结构；该 方法操作简单、耗时少、可工业化制备。 本专利技术的另一 目的在于提供上述方法制备的掺杂稀土元素氧化锌一维纳米材料。 本专利技术的再一 目的在于提供上述一维纳米材料的应用。 为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案一种掺杂稀土元素氧化锌(ZnO) 一维纳米材料的制备方法，包括以下操作步骤 (1)将氧化锌和稀土元素的氧化物混合，研磨，压制，在900 120(TC的温度下烧 结，得到掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶； (2)将钼杆通过T型石英管的竖臂伸入T型石英管的横臂中，将掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶置于钼杆末端，将衬底置于T型石英管的横臂中，所述衬底位于掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶的下方，衬底和掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶的垂直距离为20 23mm，水平距离为2 6cm ;钼杆由微步电动机带动，以3 10周/分钟的速度旋转； (3)将T型石英管抽真空(目的是排除管内残余气体对制备的影响)，以20 40sccm的速度通入载流气体，使T型石英管内的气压达到400 3000Pa，然后将T型石英管加热至650 750°C ; (4)引入激光光束，将激光光束聚焦到掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶上，调节激 光光束的脉冲频率，对掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶进行烧蚀溅射，溅射产物沉积到衬底 上； (5)溅射结束后，冷却至室温，衬底上形成掺杂稀土元素氧化锌一维纳米材料。 步骤(1)所述氧化锌和稀土元素的氧化物以质量比(7 10) : l进行混合；所述 稀土元素为镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥 Tm、镱Yb、镥Lu、钪Sc或钇Y。 步骤(2)所述T型石英管的内径为40 45mm，外径为45 50mm，厚度为3 10mm。 步骤(2)所述衬底是表面镀有一层金属薄膜催化剂的硅片，所述金属薄膜催化剂 为金、银、钯或它们的合金；所述硅片的晶体取向为〈100〉。 步骤(2)所述钼杆是由微步电动机带动旋转；步骤(3)所述抽真空是采用机械泵和涡轮分子泵进行抽真空。 步骤(3)所述载流气体为氮气。 步骤(4)所述激光光束是采用波长为532nm、脉宽为10ns的Nd:YAG脉冲激光器发 射；所述激光光束的脉冲频率为1 10Hz，激光光束的能量密度为1. 6 8J/cm2。 步骤(4)所述烧蚀溅射的时间为30 60分钟。 上述方法制备的掺杂稀土元素氧化锌一维纳米材料，所述掺杂稀土元素氧化锌一 维纳米材料为纳米线、纳米棒或纳米带。 上述的掺杂稀土元素氧化锌一维纳米材料可应用于制备平板显示器、半导体激光 器、红外集成光电器件、气敏传感器或压敏电阻等。 本专利技术的原理是用脉冲激光光束聚焦于掺有稀土的Zn0靶材上，高能激光使靶 材表面物质熔融，形成包含有稀土离子的等离子体羽并溅射到衬底上；衬底的表面事先沉 积一层金属催化剂，在加热的过程中，金属形成纳米熔融颗粒，此颗粒可吸附等离子体羽中 的物质，成为形核中心，在气-液-固(VLS)生长机制的作用下，自发生长出掺杂稀土元素 的ZnO—维纳米结构；所得产物中掺杂元素来自于靶材，而且浓度与靶材的浓度基本一致， 因此可以通过耙材的化学配比来调控产物的掺杂浓度。 通过调节制备参数，实现具有不同形貌和稀土元素掺杂浓度的ZnO —维纳米材 料，为实现这些纳米材料在电子加工、光学、生物学、催化化学乃至医学等领域中的应用提 供必要的基础。 本专利技术与现有技术相比，具有如下突出优点和有益效果 (1)易于掺杂。所制备的纳米材料的成分与靶材的化学配比基本一致，因此稀土元 素的掺杂浓度可以通过调节靶材的组分比例来实现。 (2)可通过调节激光的参数、石英管内真空度和通入气体的种类以及流量来控制 所制备材料的生长，并且各工艺参数独立可调，材料制备速度快，一维纳米材料生长均匀， 可大面积生长。附图说明 图1 (a)为本专利技术采用脉冲激光沉积技术制备掺杂稀土元素氧化锌一维纳米材料 的设备装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂稀土元素氧化锌一维纳米材料的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：（１）将氧化锌和稀土元素的氧化物混合，研磨，压制，在９００～１２００℃的温度下烧结，得到掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶；（２）将钼杆通过Ｔ型石英管的竖臂伸入Ｔ型石英管的横臂中，将掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶置于钼杆下端，将衬底置于Ｔ型石英管的横臂中，所述衬底位于掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶的侧下方，衬底和掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶的垂直距离为２０～２３ｍｍ，水平距离为２～６ｃｍ；钼杆以３～１０周／分钟的速度旋转；（３）将Ｔ型石英管抽真空，以２０～４０ｓｃｃｍ的速度通入载流气体，使Ｔ型石英管内的气压达到４００～３０００Ｐａ，然后将Ｔ型石英管加热至６５０～７５０℃；（４）引入激光光束，将激光光束聚焦到掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶上，调节激光光束的脉冲频率，对掺有稀土元素的氧化锌陶瓷靶进行烧蚀溅射，溅射产物沉积到衬底上；（５）溅射结束后，冷却至室温，衬底上形成掺杂稀土元素氧化锌一维纳米材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨国伟，朱宏干，杨玉华，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]