ZnO同轴同质pn结纳米棒及其制备方法技术

针对在一维纳米材料领域无法制备ZnO同轴同质pn结纳米棒的技术难题，本发明专利技术提供了一种ZnO同轴同质pn结纳米棒及其制备方法。本发明专利技术所提供的ZnO同轴同质pn结纳米棒的一端为未掺杂的ZnO区，ZnO同轴同质pn结纳米棒的余下部分为掺杂Sb的ZnO区，其中，Sb的掺杂浓度为1~7at.%。本方法的显著特征在于使用电化学沉积方法连续外延生长n型无掺杂ZnO区和p型Sb掺杂ZnO区。本发明专利技术能够在80℃的低温条件下制备出ZnO同轴同质pn结纳米棒，且设备简单、成本低廉，可为制作纳米光电器件提供参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料的制备技术，尤其涉及一种采用电化学法的一维纳米材料的pn结纳米棒及制备方法，具体涉及一种。
技术介绍
氧化锌(ZnO)是一种新型I1-VI族直接带隙宽禁带半导体材料，具有高的热稳定性和化学稳定性，对环境友好，并可用多种方法制备。ZnO具有很高的激子束缚能，使得其在室温下能获得高效的激子发光，因此在短波光电器件领域具有潜在应用价值，成为近几年国内外半导体材料领域的热点课题。近年来ρ型ZnO掺杂理论和实验均取得一系列进展，目前已可用多种方法制备出性能接近或达到器件设计要求的高质量P型ZnO，有望开发出高效ZnO基近紫外发光二极管(LED)，半导体激光器(LD)和紫外探测器等半导体光电器件。短波长发光二极管和激光器对提高光通信的带宽、光信息的存储密度和读取速度有重要的意义，可广泛应用于光电显示、光电储存、光电转化及探测等领域，使人类的生产生活方式产生深刻的变化，并在半导体照明，医学及生物等高科技领域具有广泛用途。此外，制备性能优良的ZnO同质结是ZnO在光电器件领域获得应用的关键之一，解决ZnO同质pn结的制备技术对ZnO的应用有很重要的现实意义。但是，目前人们对ZnO同质pn结的研究仅局限在多层膜结构的ZnO同质pn结的制备技术，缺少对更高性能的一维ZnO同质pn结技术的研究。例如:CN 1547264A利用喷雾热解法，通过铟和氮的共掺杂制成具有双层膜结构的ZnO同质pn结，该方法的产物是二维的P型ZnO薄膜材料。CN 201084747利用金属有机物化学气相沉积方法，以ZnO为基，在衬底的一面自下而上依次沉积η型ZnO薄膜层、η型Zn1JVIgxO (0〈χ〈0.6)薄膜层、ZnO量子阱层、P型N掺杂ZrvxMgxO (0<χ<0.6)薄膜层、ρ型N掺杂ZnO薄膜层、以及第二电极，在衬底的另一面沉积第一电极，制成多层膜结构的ZnO同质pn结发光二极管，也是二维的薄膜材料。换言之，目前仍然缺乏对ZnO —维纳米结构的研究。而一维的ZnO纳米材料具有表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应及量子隧道效应等特性，使得其与上述的二维ZnO材料、块材ZnO材料相比，有着更为优越的发光性、导电性和光电性能。但是目前对于纳米结构ZnO同质pn结的研究起步晚，所见报道不多:CN 200965889Y采用金属氧化物气相沉积法(M0CVD)，以NO作为ZnO的受主N掺杂源，以Ga作为施主掺杂源，在衬底的一面自下而上依次沉积P型ZnO薄膜层、ρ型ZrvxMgxO (0〈x〈0.5)薄膜层、η型ZnO纳米线阵列层、以及第二电极，在衬底的另一面沉积第一电极，制成ZnO同质pn结纳米线发光二极管。CN102260907 A将Zn粉、ZnO粉、石墨和三磷酸钠、氯化钠或焦磷酸钠等掺杂源混合作为源材料，并放入一端开口的石英舟的一侧，在另一侧放置沉积有(002)取向ZnO薄膜的衬底，先在550-650°C保温生长下层ZnO纳米棒阵列，然后继续升温至850_950°C保温生长上层ZnO纳米棒阵列，形成基于Na掺杂ZnO的ZnO同质pn结纳米棒阵列。CN 101538062A采用化学气相沉积方法(CVD)先 在Si衬底上制备出ZnO籽晶，然后在溶液中利用两步法实现在单根ZnO微纳米柱上生长ZnO纳米柱阵列，在两次溶液法生长过程中可以对ZnO进行掺杂实现ZnO的同质pn结。该专利用此种方法制备的ZnO阵列并非同轴结构，而是在单根微纳米柱上生长出多个ZnO纳米柱。该产物的形貌的可控性差，依旧不是理想的一维ZnO同质pn结纳米材料，在工业上的应用前景很差。目前，制备ZnO纳米结构的方法主要有化学气相沉积方法(CVD)、物理气相沉积方法(PVD)、以及电化学沉积方法等。用CVD或PVD方法可得到高质量的ZnO纳米结构，但因其沉积均匀性差、ZnO产量低、对衬底要求苛刻及实验成本高等缺点，所以并未广泛使用。另夕卜，CVD和PVD方法通常还需要高温条件，不能适用于柔性的有机物衬底。与CVD和PVD方法相比，用电化学沉积方法在液相条件下合成ZnO纳米结构能够在低温下进行，且适用于大面积及柔性有机物衬底，同时成本低且无污染。 因为锑(Sb)的掺杂源三氯化锑在水溶液中具有强烈的水解性，当溶液中三氯化锑含量增大时极易水解生成氯氧化锑沉淀，从而影响Sb元素的掺杂；而用水热法进行元素掺杂时，需要前驱体溶液中有很高的掺杂元素浓度，但Sb的浓度越高就越容易水解,故单纯使用水热法制备进行ZnO纳米结构的Sb掺杂是难以实现的。专利CN 102751318 A采用离子束溅射结合电化学沉积的方法制备了 ZnO同质pn结，其中ZnO同质pn结是由ρ型Sb掺杂ZnO纳米棒阵列与η型Al掺杂ZnO薄膜组成。该专利用此种方法制备的ZnO纳米结构并非同轴纳米棒结构，而是在而是在ZnO薄膜上生长Sb掺杂的ZnO纳米棒阵列。目前为止，用电化学方法进行Sb掺杂合成ZnO纳米棒pn结阵列的文献尚未见报道。
技术实现思路
针对现有一维纳米
无法制备ZnO同轴同质pn结纳米棒的技术难题，本专利技术提供一种，具体为: ZnO同轴同质pn结纳米棒,其结构为,ZnO同轴同质pn结纳米棒的一端为未掺杂的ZnO区I, ZnO同轴同质pn结纳米棒的余下部分为掺杂Sb的ZnO区2,其中，ZnO同轴同质pn结纳米棒未掺杂的ZnO区I为η型,ZnO同轴同质pn结纳米棒掺杂Sb的ZnO区2为ρ型,且掺杂Sb的ZnO区2中Sb元素的掺杂浓度为f 7at.%。制备ZnO同轴同质pn结纳米棒的方法具体如下: 1)将5mM的硝酸锌溶液和5mM的六亚甲基四胺溶液按体积比1:1混合并加热至80°C，获得80°C的硝酸锌与六亚甲基四胺混合溶液； 2)将材料为ITO导电玻璃的工作电极3、材质为Ag和AgCl的参比电极和材质为Pt的对电极一同浸没入80°C的硝酸锌与六亚甲基四胺混合溶液中，将工作电极的电位相对于参比电极的电位调节至-0.8V至-0.92V，保持上述参比电极和工作电极3的电位进行电沉积0.5至1.5小时，在ITO导电玻璃衬底上，即工作电极3上获得未掺杂的ZnO纳米棒阵列，所述的未掺杂ZnO纳米棒，即ZnO同轴同质pn结纳米棒的未掺杂ZnO区I为η型，随后将生长有未掺杂ZnO纳米棒阵列的工作电极3自混合溶液中取出 3)将5mM的硝酸锌溶液、5mM的六亚甲基四胺溶液和浓度范围在0.0625mM至0.4mM之间的三氯化锑溶液按体积比1:1:1混合并加热至80°C，获得80°C的硝酸锌、六亚甲基四胺与三氯化锑混合溶液； 4)将步骤2中得到的生长有未掺杂ZnO纳米棒阵列的工作电极3插入步骤3中获得的80°C的硝酸锌、六亚甲基四胺与三氯化锑混合溶液中，同时插入材质为Ag和AgCl的参比电极以及材质为Pt的对电极，将工作电极3的电位相对于参比电极的电位调节至-0.8V一-0.92V，保持本步骤中参比电极和工作电极3的电位进行电沉积0.5 —1.5小时，在每一根未掺杂的ZnO纳米棒的顶端继续外延生长掺杂Sb的ZnO区，所述掺杂Sb的ZnO区，即ZnO同轴同质pn结纳米棒的掺杂Sb的ZnO区2为ρ型； 5)完成步骤4后工作电极3上的反应生成物即为ZnO同轴同质pn结纳米棒阵列，其中每一根本文档来自技高网...

【技术保护点】
ZnO同轴同质pn结纳米棒，其特征在于，ZnO同轴同质pn结纳米棒的一端为未掺杂的ZnO区（1），ZnO同轴同质pn结纳米棒的余下部分为掺杂Sb的ZnO区（2），其中，ZnO同轴同质pn结纳米棒未掺杂的ZnO区（1）为n型，ZnO同轴同质pn结纳米棒掺杂Sb的ZnO区（2）为p型。

【技术特征摘要】
1.ZnO同轴同质pn结纳米棒,其特征在于，ZnO同轴同质pn结纳米棒的一端为未掺杂的ZnO区(I), ZnO同轴同质pn结纳米棒的余下部分为掺杂Sb的ZnO区(2),其中，ZnO同轴同质pn结纳米棒未掺杂的ZnO区(I)为η型，ZnO同轴同质pn结纳米棒掺杂Sb的ZnO区(2)为P型。2.如权利要求1所述的ZnO同轴同质pn结纳米棒,其特征在于:ZnO同轴同质pn结纳米棒掺杂Sb的ZnO区(2)中Sb元素的掺杂浓度为f 7at.%。3.制备如权利要求1或2所述的ZnO同轴同质pn结纳米棒的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行: 1)、将5mM的硝酸锌溶液和5mM的六亚甲基四胺溶液按体积比1:1混合并加热至80 V，获得80°C的硝酸锌与六亚甲基四胺混合溶液； 2)、将材料为ITO导电玻璃的工作电极(3)、材质为Ag和AgCl的参比电极和材质为Pt的对电极一同浸没入80°C的硝酸锌与六亚甲基四胺混合溶液中，将工作电极的电位相对于参比电极的电位调节至-0.8V至-0.92V，保持上述参比电极和工作电极(3)的电位进行电沉积0.5至1.5小时，在ITO导电玻璃衬底上，即工作电极(3)上获得未掺杂的ZnO纳米棒阵列，所述的未掺杂ZnO纳米棒，即ZnO同轴同质pn结纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏海林，梁金坤，吴玉程，黄荣俊，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：