CN101700868B

CN101700868B - 一种超长锑掺杂氧化锌微米线的制备方法

Info

Publication number: CN101700868B
Application number: CN2009102376776A
Authority: CN
Inventors: 张跃; 杨亚; 齐俊杰; 郭雯; 王增泽; 孙凯
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: CN101700868A

Abstract

一种超长锑掺杂氧化锌微米线的制备方法，属于纳米/微米材料制备技术领域。基本工艺为：将硅基片用清洗剂冲洗干净，然后磁控溅射一层20nm Au薄膜，作为沉积基片；将Zn粉、Sb₂O₃粉和C粉按一定的摩尔比充分混合均匀，混粉工艺可利用球磨的方法，并将混合粉末作为反应源放置于瓷舟中；把承载反应源和基片的瓷舟放入管式炉中的石英管中部，调节流量计向石英管中通入氩气和氧气的混合气体，总流量为300cm³/min，混合气体中氩气比例为98％，氧气比例为2％，在此气氛下将管式炉升温至合成温度930～950℃，然后保温10分钟左右，制备反应结束后，取出硅片冷却至室温，所得产品即为超长的锑掺杂氧化锌微米线。本发明实现了超长掺锑氧化锌微米线的制备，工艺较简单，并保证产品质量高、可控性好。

Description

一种超长锑掺杂氧化锌微米线的制备方法

技术领域

本发明属于微米材料制备技术领域，特别是提供了一种气相制备超长锑掺杂氧化锌一维微米材料的方法，合成工艺简单且产量高，实现了较低制备温度下的可控生长。

背景技术

氧化锌是直接带隙，宽禁带半导体，室温下ZnO的禁带宽度约为3.37eV，激子结合能较高(60meV)，具有优异的半导体和压电双重性质。由于一维ZnO微米材料的结构特点及其优异的光、电、磁、力等性能，使其在纳米光电子器件、纳米传感器、纳米机械、纳米生物探测等领域显示出极大的应用潜力。同时，通过掺杂可使一维ZnO微米材料的性能进一步得到优化和改善，促进ZnO微米材料在微机电功能器件方面的应用。因而获得合适的制备工艺实现高品质ZnO微米材料尺寸和光电性能的可控是一维氧化锌微米材料应用的关键。

目前，为了实现基于一维ZnO材料的新型器件，由于一维ZnO纳米材料尺寸在纳米尺度内，其可控操作和大规模组装器件技术的发展还不成熟，而一维ZnO微米材料具有其非常容易的操作和组装器件技术，越来越引起了人们的关注。目前，基于一维ZnO微米材料的发电机[R.S.Yang，Y.Qin，L.M.Dai，and Z.L.Wang，Nature Nanotechnology，4，34-39(2009)]、力电开关[J.Zhou，P.Fei，Y.F.Gao，Y.D.Gu，J.Liu，G.Bao，and Z.L.Wang，NanoLetters，8，2725-2730(2008)]、压电子应力传感器[J.Zhou，Y.D.Gu，P.Fei，W.J.Mai，Y.F.Gao，R.S.Yang，G.Bao，and Z.L.Wang，Nano Letters，8，3035-3040(2008)]等新型器件相继发展起来。锑掺杂可以改变一维ZnO微米材料的导电性、光致发光及压电性能，有助于扩宽一维ZnO微米材料的应用领域。迄今为止，关于超长锑掺杂氧化锌微米线的制备方法还没有出现，开发有效、可靠的制备方法显得十分重要。掺杂一维氧化锌微米材料的制备方法主要有两类，第一类是直接将Zn或ZnO与掺杂物混合，采用热蒸发等方法直接生成掺杂ZnO微米结构材料；另一类制备掺杂一维氧化锌微米材料的方法则是先制备出ZnO微米结构材料，然后采用蒸发扩散或离子注入等方法实现掺杂。比较而言，一步法实现掺杂工艺更为简单，产物品质高，成本低，有利于器件组装。以氧化锌粉为原料的物理气相沉积的制备温度一般在1400℃左右，合成温度较高。在制备过程中利用锌粉为原料，同时添加金、银等金属催化剂可以降低合成温度，产物形貌和尺寸更容易控制。

发明内容

本发明目的在于提供一种气相沉积制备超长锑掺杂氧化锌微米线的方法，降低制备温度，改善制备工艺的可控性，提高产品质量和产率。

一种超长锑掺杂氧化锌微米线的制备方法，具体工艺如下：

1、将硅基片用清洗剂冲洗干净，作为沉积基片。硅基片可采用纯硅基片或掺杂硅基片，清洗过程为先用丙酮和酒精分别超声清洗20分钟，然后用去离子水冲洗。同时，在基片上沉积一层Ag或Au作催化剂。

2、将Zn粉(质量纯度＞99.9％)、Sb₂O₃粉(质量纯度＞99.999％)和C粉按摩尔比5∶1∶4充分混合均匀，混粉工艺可利用球磨的方法，并将混合粉末作为反应源放置于瓷舟中，然后将硅基片倒扣于瓷舟上；

3、把承载反应源和硅基片的瓷舟放入管式炉中的石英管中部，调节流量计向石英管中通入氩气和氧气的混合气体，总流量为300cm³/min，混合气体中氩气比例为98％，氧气比例为2％，在此气氛下将管式炉升温至合成温度930～950℃，然后保温8-12分钟，制备反应结束后，样品随炉冷却至室温，所得产品即为超长的掺杂氧化锌微米线。

实验过程中通过碳热还原作用释放出Zn蒸气和Sb蒸气，反应气体扩散遇到硅基片，在基片表面与体系内少量的氧气作用反应沉积生成锑掺杂氧化锌微米线。制备工艺降低了蒸发反应沉积的温度，所获得产物为六方纤锌矿结构。在较小范围内调节沉积温度，氩气和氧气混合气体的总流量及氧气所占比例，可以制备不同尺寸的掺杂氧化锌微米线，保证微米线具有较高的纯度，结晶质量高；在硅基片上利用磁控溅射沉积一层金属催化剂，结合催化辅助的方法，可有效控制掺杂纳米线尺寸和形貌，使掺杂氧化锌纳米线尺寸分布更加均匀，产量更高。所制备掺杂半导体微米线生长方向主要为[0001]，微米线形状规整，为单晶结构，沿轴向直径尺寸均匀，直径为3μm，微米线长度达到5～10mm。采用本方法可以获得超长锑掺杂氧化锌微米米线较大范围的控制合成，产量较高。

本方法实现了半导体一维氧化锌微米材料的掺杂，制备出锑掺杂氧化锌微米线。该方法初步实现锑掺杂氧化锌微米线的可靠制备，制备温度降低，并大范围提高了其产率。

附图说明

图1是锑掺杂ZnO微米线的XRD衍射谱，主要衍射峰与六方纤锌矿结构的氧化锌衍射图谱相一致。

图2为单个锑掺杂氧化锌微米线的光学照片，从图上可以看出，微米线长度超过5mm，插入图片为合成的大量锑掺杂氧化锌微米线光学实物照片。

图3为单根微米米线的高倍扫描电镜照片，图中微米线表面平滑，形状规整，直径约为3μm，沿轴向直径尺寸均匀一致。

具体实施方式

在以下实验条件下制得的产物质量较好。实验设备为水平管式炉，规格：长75cm，管径45mm，最高加热温度1000℃；石英管管长100cm，管径32mm。

方案：首先将硅基片在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗20分钟，用去离子水冲洗干净，然后采用磁控溅射方法在硅几片上沉积20nm的Au作为催化剂，将Zn粉、Sb₂O₃和C粉按原子比5∶1∶4混合，球磨1小时充分混合均匀作为原料放于瓷舟内，硅基片正面朝向粉末置于瓷舟上。然后将瓷舟放于管式炉中的石英管中部，调节流量计向管中通入氩(98％)/氧(2％)混合气体(300sccm)。在930℃的温度下保温10分钟，基片上沉积的白色绒状物即为锑掺杂氧化锌微米线。

Claims

1.一种超长锑掺杂氧化锌微米线的制备方法，其特征在于：制备工艺为：

a.采用纯硅基片作为硅基片，硅基片上溅射沉积一层Ag或Au作催化剂；用丙酮和酒精将硅基片分别超声清洗20分钟，然后用去离子水冲洗，作为沉积基片；

b.将纯度＞99.9％的Zn粉、纯度＞99.999％的Sb₂O₃粉和C粉按摩尔比5∶1∶4充分混合均匀，混粉工艺采用球磨的方法，并将混合粉末作为反应源放置于瓷舟中，然后将硅基片倒扣于瓷舟上；

c.把瓷舟放入管式炉中的石英管中部，使用流量计调节通入石英管中的氩气和氧气的总流量至300cm³/min，混合气体中氩气比例为98％，氧气比例为2％；在上述混合气体的气氛下将管式炉升温至合成温度930～950℃，然后保温8-12分钟；制备反应结束后样品随炉冷却至室温，所得产品为超长的锑掺杂氧化锌微米线。