CN104118900B - 一种ZnO粉末的提纯方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于ZnO粉末提纯的工艺。在石英安瓿中采用抽空加热并结合石墨辅助化学气相法对ZnO粉末进行提纯。测试结果显示，提纯后得到的ZnO多晶杂质离子(如Ag、Cu、Pb等对器件影响较大的深能级、多能级重金属离子)明显减少，纯度大幅提高，结晶度好。该方法对设备要求较低，操作简单，提纯效率高，实用性强，适合推广。

Description

一种ZnO粉末的提纯方法

技术领域

本发明专利涉及一种ZnO粉末的提纯方法。

背景技术

氧化锌(ZnO)为直接带隙半导体材料，室温禁带宽度为3.4eV，激子束缚能为60meV，是一种适合制作高效率蓝色、紫外发光和重离子探测等光电器件的宽带隙半导体材料。ZnO在可见光区的透射率达90％,可作太阳能电池透明电极和窗口材料；优良的压电性能，ZnO晶体还可制作压电换能器和表面声波器件。与其它的宽带隙材料SiC、GaN等相比，ZnO具有资源丰富、价格低廉、高的化学和热稳定性、更好的抗辐照损伤能力和适合做长寿命器件等优势，已成为半导体和材料学科的研究热点。

高纯度的原料是制备高质量ZnO光电器件的关键。但目前国内生产的粉末原料纯度不高(较好的只达到99.99％)；国外生产的高纯粉末料(纯度为99.999％)中也依旧存在痕量的重金属元素。因此，在制备各类ZnO样品(单晶，薄膜，纳米，量子线/点或者超晶格)之前，有必要先通过一种提纯方案除去原料中的杂质离子。

本文设计了一种多级提纯的实验方案。该方案分别采用抽空加热，石墨辅助化学气相法在石英安瓿内对ZnO粉末进行多次提纯。ICP-MS测试结果显示，提纯工艺能有效除去一些无机重金属杂质离子，提高粉末原料的纯度。

发明内容

本发明专利的目的在于解决上述技术问题，提供一种ZnO粉末的提纯方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，清洗石英安瓿

将石英安瓿放入氢氟酸和硝酸混合溶液(氢氟酸和硝酸配比为3:1)中浸泡3-5分钟，然后用去离子水将石英安瓿反复清洗后烘干；

步骤二：去原料中的低温易挥发的杂质：

将ZnO粉末与石墨粉按一定质量(50:1-300:1)比例放入步骤一所述的石英安瓿内，抽真空至10-5Pa-10-4Pa后，再将其主体部分该石英安瓿放置在竖式管式炉中，控制料区温度在100℃-300℃范围内，保温1-3小时，待管内真空度达到恒定的最大值时，利用氢氧焰喷枪将石英安瓿管口封结。

步骤三：ZnO粉末提纯：

将封结后的石英安瓿放入水平管式炉内，如图2所示，控制原料区(ZnO粉末与石墨粉所在的高温区)温度至1000℃-1200℃，结晶端(石英安瓿的另一端即为低温区)温度至980℃-1180℃，温差在100℃以内，确定提纯时间为5-10天，再缓慢(5-10小时)降温至室温，在结晶端即得到提纯后的ZnO多晶体，石墨粉全部分布在料区石英管壁，在结晶端无石墨粉，即不会对提纯后的样品产生污染。

如权利要求所述的一种ZnO粉末的提纯方法，其特征在于步骤一中所述的ZnO粉末与石墨粉按质量比为为50:1-300:1。

如权利要求所述的一种ZnO粉末的提纯方法，其特征在于提纯后的ZnO粉末的纯度达到了99.999％。

如权利要求所述的一种ZnO粉末的提纯方法，其特征在于能有效除去原料中的痕量杂质元素，如Ag、Cu、Pb、Pt等重金属离子，以及低温易挥发的杂质离子。

有益效果：

该工艺通过抽空加热除去低温易挥发的杂质，通过石墨辅助化学气相法有效除去痕量元素，方法简单，可操作性强，并能明显的提高原料纯度，提纯后的ZnO原料纯度可达99.999％以上。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为加热抽真空原理示意图

图2为提纯示意图

图3为水平管式炉内温场分布及安瓿放置位置

图4为提纯后得到的ZnO多晶。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

提纯实验在封闭的真空石英安瓿中进行。石英管尺寸为先将石英管放入氢氟酸和硝酸混合溶液(氢氟酸和硝酸配比为3:1)中浸泡3-5分钟，然后用去离子水将石英管反复清洗后烘干；装入氧化锌(4N)粉末10g，石墨粉0.05g。在100℃下加热并连续抽真空至3.5×10^-5Pa后封结。该步骤可除去原料中的低温易挥发的杂质。

在三温区水平管式炉中进行提纯实验，炉内温场分布及安瓿放置位置如图3所示。将石英管底部(料区)放入距炉口650mm处，温度控制在1020℃；结晶端处于距炉口250mm处，温度控制在980℃，保温5天；得到ZnO晶锭，如图4所示：致密，呈淡黄色。作为传输剂的石墨粉只分布在料区石英管壁，在料区小部分未反应的ZnO粉末烧结成块体状。

分别对市售的氧化锌粉末料，提纯后的氧化锌多晶，未反应的烧结料作等离子质谱仪(ICP-MS)测试,对其中部分无机物杂质纯化效果作定性、定量分析。测试结果如表1所示。

表1 等离子体质谱仪对氧化锌中无机杂质测试结果

由表1可看出，样品的纯化效果明显，提纯后的氧化锌多晶纯度高于提纯前的粉末料一个量级。除去的杂质离子残留在料区，致使未生反应的烧结料杂质浓度增加。

ZnO粉末多级提纯工艺，对去除对半导体器件有重大影响的深能级、多能级和重金属离子Ag、Cu、Pb、Pt等特别有效，对除去一些轻金属离子如Na、Mg、Al等有一定效果，是一种切实可行和高效的纯化方法，适合推广使用。

应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种ZnO粉末的提纯方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，清洗石英安瓿

将石英安瓿放入按配比为3:1的氢氟酸和硝酸混合溶液中浸泡3-5分钟，然后用去离子水将石英安瓿反复清洗后烘干；

步骤二：去原料中的低温易挥发的杂质：

将ZnO粉末与石墨粉按质量50:1-300:1的比例放入步骤一所述的石英安瓿内，抽真空至10^-5Pa-10^-4Pa后，再将该石英安瓿放置在竖式管式炉中，控制料区温度在100℃-300℃范围内，保温1-3小时，待管内真空度达到恒定的最大值时，利用氢氧焰喷枪将石英安瓿管口封结；

步骤三：ZnO粉末提纯：

将封结后的石英安瓿放入水平管式炉内，控制原料区温度至1000℃-1200℃，结晶端温度至980℃-1180℃，所述原料区和结晶端的温差在100℃以内，提纯时间为5-10天，后经过5-10小时降温至室温，在结晶端即得到提纯后的ZnO多晶体，石墨粉全部分布在料区石英管壁，在结晶端无石墨粉。

2.如权利要求1所述的一种ZnO粉末的提纯方法，其特征在于步骤一中所述的ZnO粉末与石墨粉按质量比为50:1-300:1。

3.如权利要求1所述的一种ZnO粉末的提纯方法，其特征在于提纯后的ZnO粉末的纯度达到了99.999％。

4.如权利要求1所述的一种ZnO粉末的提纯方法，其特征在于能有效除去原料中的痕量杂质元素，深能级、多能级的重金属离子，以及低温易挥发的杂质离子。