CN102796521A - 一种高发光性能ZnO纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

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杨景海
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Abstract

本发明涉及材料制造领域，具体的说是一种高发光性能ZnO纳米颗粒的制备方法，该方法采用溶胶凝胶法，用Y(NO3)3·6H2O、Zn(NO3)2·6H2O、柠檬酸和乙二醇为原料，各种物质的摩尔比为柠檬酸：乙二醇：金属阳离子(Zn2+、Y3+)的总和＝3∶4∶1；利用稀土离子钇的补偿作用，抑制ZnO纳米颗粒中的缺陷浓度，有效提高ZnO纳米颗粒的发光质量。

Description

一种高发光性能ZnO纳米颗粒的制备方法
技术领域
本发明涉及材料制造领域，具体的说是一种高发光性能ZnO纳米颗粒的制备方法。
背景技术
氧化锌是一种极具发展潜力的光电信息功能材料。1997年，日本和香港科学家首次报道了氧化锌薄膜室温下的近紫外受激光发射，立即引起强烈的反响。《Science》和《Nature》都对此研究进行了相关评述，称其为激光技术的重要发展，是一项伟大的工作。ZnO是一种室温直接宽带隙半导体材料，室温下禁带宽度为3.37 eV，激子结合能高达60 meV，可实现室温短波长发光，并且熔点高，有较高的热稳定性和化学稳定性。此外，ZnO原材料资源丰富、价格便宜、无毒无害，对环境没有污染，是蓝光和紫外光发射器件的潜在应用材料。迄今为止，人们尝试了各种方法例如调节制备条件和热处理温度来抑制缺陷发光提高紫外发光。由于纯的ZnO性能不稳定不能满足日益增长的应用的需求，因此在单晶纳米结构中植入掺杂质，能产生新的物理性能如铁磁性，高导电率，电子-声子耦合效应，催化活性和带隙的调节。因为稀土元素的特殊壳层结构，作为发光材料的发光中心是一种比较好的选择，也是紫外到可见光区可调谐激光材料和荧光材料的优良激活离子。据我们调查，目前人们面临的一大难题是无法对稀土掺杂纳米氧化锌材料的发光强度和发光峰位实现有效控制。本发明制备的钇掺杂ZnO纳米颗粒，发光性能得到了很大的提高，在纳光电系统、激光器、低压和短波长光电子器件、场效应晶体管、单电子晶体管、透明导电材料、气敏传感器和荧光器件等方面都具有潜在的应用前景。
迄今为止，人们采用气相传输法，脉冲激光沉积法，化学气相沉积法，以及电化学沉积法都可以获得很好的ZnO纳米材料。然而，这些方法通常都需要特殊的仪器，在高温的条件下，经过复杂的操作过程才可以制备出材料，而且得到的材料缺陷浓度很高。溶胶凝胶法具有环保和操作简单的优点而备受人们的亲赖。但是采用该方法生长纯的ZnO纳米颗粒，缺陷也很高，我们通过引入掺杂杂质钇，有效降低了ZnO纳米颗粒的缺陷浓度，大大提高了紫外发光峰的强度，掺杂钇元素后紫外峰的发光强度与未掺杂的ZnO相比提高了300倍。据我们所知目前还没有相关文献的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种高发光性能ZnO纳米颗粒的制备方法，该方法选择稀土元素钇作为掺杂杂质，采用溶胶凝胶法与热处理相结合的方法，利用掺杂杂质的补偿作用，有效降低了ZnO纳米颗粒的缺陷浓度，大大提高了紫外峰的发光强度。
本发明的目的是这样实现的，制备该ZnO纳米颗粒所采用的原料及其重量配比是：
Y(NO3)3·6H2O  （0.1915g）
Zn(NO3)2·6H2O （2.8261 g）
C6H8O7           （6.3042 g）
C2H6O2           （2.4753 g）
本发明制备方法的具体步骤是：将柠檬酸用50ml去离子水溶解形成柠檬酸溶液，将Y(NO3)3· 6H2O和Zn(NO3)2· 6H2O分别用100ml去离子水充分溶解后与柠檬酸混合在一起放在搅拌器上室温搅拌二十分钟，形成混合溶液，然后将乙二醇以慢速加入混合溶液中，并不停搅拌一小时四十分钟后得到溶胶，然后将得到的溶胶放入干燥箱中，在90oC下恒温干燥六小时成为凝胶，之后将干燥箱的温度升到120oC，四小时之后该凝胶成为蓬松的白色粉末状固体；将白色粉末状固体放在白玉坩埚中盖好盖子，在马弗炉中400oC预烧结一小时，得到非晶前躯体，再将此前躯体750oC恒温退火六小时，退火之后取出本发明目标产品，进行XRD物相测试，测试结果显示本发明的目标产品是ZnO（呈六角纤锌矿结构）,并且没有任何杂相（见图2）。
本发明的优点：
1、本发明采用传统的溶胶凝胶法在制备的过程中通过添加稀土离子，有效提高了ZnO纳米颗粒的紫外发光强度（IUV/IDEL从0.02提高到6），为制备纳米电子器件和纳米光电子器件提供重要的材料。
2、本发明不但操作简单，而且具有环保、经济、便捷、操作简单等优点，易于实现大规模生产，同时该方法制备的钇掺杂ZnO纳米颗粒发光性能得到了很好的改善（见图3）。
3、该发明无论在实验范围亦或实际应用方面都有很重要的科学价值和意义。
附图说明
图1是本发明钇掺杂ZnO纳米颗粒的制备方法工艺流程图。
图2是采用溶胶凝胶法制备ZnO纳米颗粒XRD与采用本发明方法制备的钇掺杂ZnO纳米颗粒XRD的对比图。
 图3是溶胶凝胶法制备ZnO纳米颗粒的扫描电镜谱图。
 图4是采用本发明方法制备的钇掺杂ZnO纳米颗粒的扫描电镜谱图。
图5是溶胶凝胶法制备的纯ZnO纳米颗粒与本发明制备的钇掺杂ZnO纳米颗粒室温光致发光谱对比图。
具体实施方式
本发明所需的原料如下：
硝酸锌（Zn(NO3)2·6H2O，沈阳国药集团化学试剂有限公司）为分析纯；
柠檬酸（C6H7O8·H2O，沈阳第一试剂厂化学试剂）为分析纯；乙二醇（C2H6O2，沈阳国药集团化学试剂有限公司）为分析纯；
硝酸钇（Y(NO3)3·6H2O，沈阳国药集团化学试剂有限公司）为分析纯。
如图1所示：首先按比例称量Y(NO3)3·6H2O（0.1915g）、Zn(NO3)2·6H2O（2.8261g）、柠檬酸（6.3042g）和乙二醇（2.4753g）原料，各种物质的摩尔比为柠檬酸：乙二醇：金属阳离子(Y3+、Zn2+)的总和＝3：4：1。将柠檬酸用50ml去离子水溶解形成柠檬酸溶液，将Y(NO3)3· 6H2O和Zn(NO3)2· 6H2O用100ml去离子水充分溶解后与柠檬酸混合在一起放在搅拌器上室温搅拌二十分钟，形成混合溶液，然后将乙二醇以慢速加入混合溶液中，在滴定的过程中需不停搅拌混合溶液，一小时四十分钟后形成溶胶，然后将溶胶放入干燥箱中，在90oC下恒温干燥六小时成为凝胶，之后将干燥箱的温度升到120oC，四小时之后该凝胶成为蓬松的白色粉末状固体；将白色粉末状固体放在白玉坩埚中盖好盖子，在马弗炉中400oC预烧结一小时，得到非晶前躯体，再将此前躯体750oC恒温退火六小时，退火之后取出本发明目标产品。
图2（a）是溶胶凝胶法制备ZnO纳米颗粒的XRD图。
图2（b）是本发明目标产品钇掺杂ZnO纳米颗粒的XRD图。
从附图2中对目标产品进行XRD物相测试表明，测试结果显示本发明的目标产品是ZnO（呈六角纤锌矿结构）,并且没有任何杂相。
附图3和附图4分别是采用溶胶凝胶法制备的ZnO纳米颗粒和本发明制备的钇掺杂ZnO纳米颗粒扫描电镜图，从图3中可以看出纯ZnO纳米颗粒直径较大约为100nm。本发明合成出的ZnO纳米颗粒，从图4可以看出尺寸明显比纯的ZnO纳米颗粒小直径大约在30nm左右。
在图5中（a）是溶胶凝胶法制备的纯ZnO纳米颗粒、（b）是本发明制备的钇掺杂ZnO纳米颗粒室温光致发光谱图。对比图中（a）和（b）我们可以清楚地看到本发明目标产品的紫外峰明显增强，而绿光带被抑制。本发明制备的钇掺杂ZnO纳米颗粒的IUV/IDLE（紫外发射和深能级发射的强度比）较大，约为6，溶胶凝胶法制备纯ZnO纳米颗粒的IUV/IDLE为0.02。这意味着，本发明的目标产品有较好的光致发光性能，更适合于制备纳米光电子元件。

Claims (2)

1.一种高发光性能ZnO纳米颗粒的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
①、按比例称量Y(NO3)3·6H2O  0.1915 g 、Zn(NO3)2·6H2O  2.8261 g、C6H8O7  6.3042 g、 C2H6O2  2.4753 g；
②、将柠檬酸用50ml去离子水溶解形成柠檬酸溶液，将Y(NO3)3· 6H2O和Zn(NO3)2· 6H2O分别用100ml去离子水充分溶解后与柠檬酸混合在一起放在搅拌器上室温搅拌二十分钟，形成混合溶液，然后将乙二醇以慢速加入混合溶液中，在滴定的过程中需不停搅拌混合溶液，慢速加入混合溶液所需时间是一小时四十分钟形成溶胶，然后将溶胶放入干燥箱中，在90oC下恒温干燥六小时成为凝胶，之后将干箱的温度升到120oC，四小时之后该凝胶成为蓬松的白色粉末状固体；
③、将②中白色粉末状固体取出，放在白玉坩埚中盖好盖子，在马弗炉中400oC煅烧一小时，得到非晶前躯体，再将此前躯体750oC恒温退火六小时，退火之后取出本发明目标产品，进行XRD物相测试，测试结果显示本发明的目标产品是呈六角纤锌矿结构ZnO。
2. 根据权利要求1所述的一种高发光性能ZnO纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述的Y(NO3)3· 6H2O、Zn(NO3)2 · 6H2O、柠檬酸和乙二醇原料中各种物质的摩尔比为柠檬酸：乙二醇：金属阳离子 (Zn2+、Y3+) 的总和＝3：4：1。
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