CN108059183A - 一种抗辐照氧化锌纳米材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗辐照氧化锌纳米材料及其制备方法，属于属于新材料领域，具体方法为：1）将二水合乙酸锌粉末研磨，得到前驱体粉末；2）将热处理马弗炉进行预热；3）将二水合乙酸锌前驱体粉末置于坩埚中，并盖上盖子，置于马弗炉中；4）在马弗炉中300‑400℃保温1‑3h后，冷却至室温后取出坩埚；5）将坩埚盖子内测蒸发沉积的白色粉末进行收集，即可获得氧化锌纳米材料；该方法基于缺陷工程原理，利用直接热分解乙酸锌前驱体法制备欠氧型氧化锌，获得白色纳米级的抗辐照材料。该方法原料丰富、价格低廉、工艺简单、产物结晶度好、纯度高、形貌结构可控、粒径分布均匀、周期短、成本低、易于规模化生产。

Description

一种抗辐照氧化锌纳米材料及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料领域，具体是指一种抗辐照氧化锌纳米材料及其制备方法。
背景技术
ZnO（氧化锌）作为一种直接带隙的第三代半导体光电材料，其禁带宽度约为3.37eV，具有高达60 meV室温激子束缚能、以及形貌和纳米结构的可控合成等优点。相比于Si、GaN、GaAs等半导体材料，氧化锌独特的优点是其具有良好的辐照稳定性，使其在太阳能电池、紫外激光器、空间环境探测器、热控涂层以及其它光电子器件等空间探索领域展现出广阔的应用前景。如ZnO基白色热控涂层具有低吸收-发射比特性，其热/光学性能可在很宽的范围内变化，广泛用于各个类型的航天器热控系统中。然而，在冷黑空间质子、电子以及核辐射等极端环境因素的作用下，ZnO材料会产生色心吸收、载流子浓度突变、晶格质量退化等辐照损伤现象，造成材料光电功能退化和失效。因此，目前各国均投入了大量人力、物力、财力研究开发具有优良辐照稳定性的氧化锌材料，以满足氧化锌等新一代半导体材料在空间探索及核辐射环境等极端环境的应用需求。
国内外研究人员先后提出了一系列的防护方法和改性技术来提高ZnO材料在辐射环境作用下的稳定性。如美国NASA的研究人员发现尺寸范围分布在200~500 nm的氧化锌粉末具有较佳光谱反射系数，通过O2退火以及对ZnO进行Na2O2等富氧处理改善ZnO的化学计量比，通过掺杂增加电子浓度以抑制电子从价带到辐照产生的单电离氧空位的跃迁，钝化色心吸收等等（美国专利Michael Charles Shai, Gambrills, Electrically conductivethermal control coatings, US patent, 1978, 4111851），这些方法一定程度上提高了ZnO材料的初始光学性能，但对改善ZnO材料的辐照稳定性并无实质性效果。
因此，如何通过一种有效、工艺简单的方法制备抗辐照氧化锌纳米材料，且制得的氧化锌纳米材料具有突出的耐能量粒子辐照损伤特性，一直是本领域技术人员厄待解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种抗辐照氧化锌纳米材料及其制备方法，该方法是基于缺陷工程原理，利用直接热分解乙酸锌前驱体法制备欠氧型氧化锌，获得白灰色纳米级的抗辐照氧化锌纳米粉末材料，解决了现有技术中的缺陷。
本发明是这样实现的：
一种抗辐照氧化锌纳米材料，其特征在于，所述的氧化锌纳米材料为白色粉末；所述的氧化锌纳米材料为纳米棒状；所述的纳米棒的粒径分布为：直径约在30~80nm；长度1~2μm。
本发明公开了一种抗辐照氧化锌纳米材料的其制备方法，具体步骤如下：
步骤一：将二水合乙酸锌粉末研磨，得到二水合乙酸锌前驱体粉末；
步骤二：将热处理马弗炉进行预热；
步骤三：将步骤一中二水合乙酸锌前驱体粉末均匀倒入4个氧化铝坩埚中，并盖上盖子，放置于马弗炉中央；
步骤四：在马弗炉中300-400℃保温1-3h后，关闭炉子，随炉冷却至室温后取出坩埚；
步骤五：将步骤四中的坩埚盖子内测蒸发沉积的白色粉末进行收集，即可获得氧化锌纳米材料。
进一步，所述的步骤一具体为：将二水合乙酸锌粉末置于玛瑙研体中，进行研磨，直至将二水合乙酸锌晶体全部研磨为蓬松细微的白色粉末。
进一步，所述的二水合乙酸锌的纯度为99.9%及以上。
进一步，所述的预热为：将炉温从室温升至300-400℃。
进一步，所述的坩埚为氧化铝坩埚。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
1）本发明的方法基于缺陷工程原理，利用直接热分解乙酸锌前驱体法制备欠氧型氧化锌，获得白灰色纳米级的抗辐照氧化锌纳米粉末材料。该方法原料丰富、价格低廉、工艺简单、产物结晶度好、纯度高、形貌结构可控、粒径分布均匀、周期短、成本低、易于规模化生产；
2）利用此方法制备的抗辐照氧化锌纳米材料具有突出的耐能量粒子辐照损伤特性，可广泛应用于航天器热控涂层、太阳能电池、空间粒子探测器以及核辐射防护等极端环境领域；
3）本发明的方法制得的耐辐照氧化锌纳米粒子：棒状形貌均一、粒径、结构可控、具有优良的结晶度、高纯度；原料产品价格低廉。通过典型N+和H+能量粒子辐照试验发现，本发明合成的氧化锌纳米材料具有优异的辐照稳定性，其辐照稳定性是现有的氧化锌粉末材料的2倍以上，特别适用于宇宙空间和核辐射等极端环境中。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的氧化锌纳米棒的扫描电子显微镜照片；
图2为本发明实施例1的透射电子显微镜照片及衍射斑点；
图3为实施例1制备的氧化锌和现有氧化锌经90keV质子辐照后的紫外-可见吸收光谱；
图4为实施例1制备的氧化锌和现有氧化锌经90keV质子辐照前后的拉曼散射光谱；
图5为本发明实施例4制备的氧化锌粉末的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述。以下所述仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
步骤一：将5g纯度为99.99%的二水合乙酸锌粉末置于玛瑙研体中，进行研磨，研磨时间为30分钟，直至将二水合乙酸锌晶体全部研磨为蓬松细微的白色粉末；
步骤二：将热处理马弗炉进行预热，用2小时将炉温从室温升至350℃；
步骤三：将步骤一中的二水合乙酸锌前驱体粉末均匀倒入4个氧化铝坩埚中，并盖上盖子，放置于马弗炉中央；
步骤四：在马弗炉中350℃保温2h后，关闭炉子，随炉冷却至室温后取出坩埚；
步骤五：将步骤四中的坩埚盖子内测蒸发沉积的白色粉末进行收集；如图1和图2所示，图1为本实施例1制备的氧化锌纳米棒的扫描电子显微镜照片，图2为本实施例1制备的氧化锌纳米棒的透射电子显微镜照片及衍射斑点。制备得到的纳米棒粒径分布为：直径在40~70nm，长度为1~2微米。
将步骤五收集的氧化锌粉末和现有技术中的氧化锌纳米粉末（90纳米，99.99%）用2Mpa压力分别压入直径为20mm的铝制样品槽，保压5分钟，然后放入真空腔中进行能量和注量分别为90keV和5X1015 cm-2s-1的质子辐照；
将上述辐照后的样品取出，分别用紫外-可见吸收光谱和拉曼光谱测量光吸收强度和晶格质量，并与现有技术中的氧化锌纳米粉末做对比。如图3所示，本实施例1中制备的氧化锌的光吸收强度仅为35%，现有氧化锌的光吸收强度则达到60%；如图4所示，图4为实施例1制备的氧化锌和现有氧化锌经90keV质子辐照前后的拉曼散射光谱，其中E1（LO）声子模代表氧化锌材料的辐照损伤程度。本实施例制备的氧化锌辐照损伤程度远低于现有氧化锌，表明其具有优异的耐辐照性能，且本发明方法制备的氧化锌纳米粉末的质子辐照损伤程度显著低于现有技术中的氧化锌纳米粉末，其抗辐照能力是现有技术中的氧化锌纳米粉末的两倍以上。
实施例2
将实施例1中制备的氧化锌纳米粉末和现有技术中的氧化锌纳米粉末（99.99%）用2Mpa压力分别压入直径为20mm的铝制样品槽，保压5分钟，然后放入真空腔中进行能量和注量分别为90keV和1X1016 cm-2s-1的氮离子辐照；
将上述辐照后的样品取出，分别用拉曼光谱和紫外-可见吸收光谱测量晶格质量和光吸收强度，并与N+辐照后的现有技术中的氧化锌纳米粉末粉末做对比，本发明制备的氧化锌纳米粉末的质子辐照损伤程度显著低于现有技术中的氧化锌纳米粉末，其抗辐照能力显著高于现有技术中制备的氧化锌粉末。
实施例3
将实施例1中制备的氧化锌纳米粉末和购买的西格玛氧化锌纳米粉末（99.99%）用2Mpa压力分别压入直径为20mm的铝制样品槽，保压5分钟，然后放入真空腔中进行能量和注量分别为90keV和1X1016 cm-2s-1的氧离子辐照；
将上述辐照后的样品取出，分别用拉曼光谱和紫外-可见吸收光谱测量晶格质量和光吸收强度，并与O+辐照后的现有技术中的氧化锌纳米粉末粉末做对比，通过本发明的方法制备的氧化锌纳米粉具有出色的抗能量粒子辐照稳定性。
实施例4
步骤一：将10g纯度为99.9%的二水合乙酸锌粉末置于玛瑙研体中，进行研磨，研磨时间为40分钟，直至将二水合乙酸锌晶体全部研磨为蓬松细微的白色粉末；
步骤二：将热处理马弗炉进行预热，用1小时将炉温从室温升至300℃；
步骤三：将步骤一中的二水合乙酸锌前驱体粉末均匀倒入4个氧化铝坩埚中，并盖上盖子，放置于马弗炉中央；
步骤四：在马弗炉中300℃保温3h后，关闭炉子，随炉冷却至室温后取出坩埚；
步骤五：将步骤四中的坩埚盖子内测蒸发沉积的白色粉末进行收集；如图5所示, 制备的氧化锌纳米棒直径分布在30~50nm，长度分布在1~2µm范围。
将步骤五收集的氧化锌粉末用2Mpa压力压入直径为20mm的铝制样品槽，保压5分钟，然后与外观透明氧化锌单晶（10x10x1mm）一起放入真空腔中进行能量和注量分别为100keV和1X1016 cm-2s-1的质子辐照；
将上述辐照后的样品取出，分别用拉曼光谱和紫外-可见吸收光谱测量晶格质量和光吸收强度，并与质子辐照的氧化锌单晶做对比，本发明制备的氧化锌纳米粉末抗质子辐照损伤能力接近于单晶氧化锌。
如图5所示，图5为本实施例制备的氧化锌粉末的扫描电子显微镜照片，通过内部插图微X射线衍射图，表明制备的氧化锌为纤锌矿结构，无杂质及第二相生成。
实施例5
步骤一：将7g纯度为99.99%的二水合乙酸锌粉末置于玛瑙研体中，进行研磨，研磨时间为40分钟，直至将二水合乙酸锌晶体全部研磨为蓬松细微的白色粉末；
步骤二：将热处理马弗炉进行预热，用2小时将炉温从室温升至400℃；
步骤三：将步骤一中的二水合乙酸锌前驱体粉末均匀倒入4个氧化铝坩埚中，并盖上盖子，放置于马弗炉中央；
步骤四：在马弗炉中400℃保温1h后，关闭炉子，随炉冷却至室温后取出坩埚；
步骤五：将步骤四中的坩埚盖子内测蒸发沉积的白色粉末进行收集；制备得到的纳米棒粒径分布为：直径在50~80nm，长度为1~2微米。
步骤六：将步骤五收集的氧化锌粉末用2Mpa压力压入直径为20mm的铝制样品槽，保压5分钟，然后与现有技术中的纳米氧化锌一起放入真空腔中进行能量和注量分别为90keV和1X1016 cm-2s-1的质子辐照；
将上述辐照后的样品取出，分别用拉曼光谱和紫外-可见吸收光谱测量晶格质量和光吸收强度，本发明制备的氧化锌纳米材料抗质子辐照损伤能力显著优于现有技术中的纳米氧化锌粉末。

Claims (6)

1.一种抗辐照氧化锌纳米材料，其特征在于，所述的氧化锌纳米材料为白色粉末；所述的氧化锌纳米材料为纳米棒状；所述的纳米棒的粒径分布为：直径约在30~80 nm；长度1~2μm。
2.一种抗辐照氧化锌纳米材料的其制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：将二水合乙酸锌粉末研磨，得到二水合乙酸锌前驱体粉末；
步骤二：将热处理马弗炉进行预热；
步骤三：将步骤一中二水合乙酸锌前驱体粉末置于坩埚中，并盖上盖子，放置于马弗炉中央；
步骤四：在马弗炉中300~400℃保温1~3h后，关闭炉子，随炉冷却至室温后取出坩埚；
步骤五：将步骤四中的坩埚盖子内测蒸发沉积的白色粉末进行收集，即可获得氧化锌纳米材料。
3.根据权利要求2所述的一种抗辐照氧化锌纳米材料的其制备方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：将二水合乙酸锌粉末置于玛瑙研体中，进行研磨，研磨至将二水合乙酸锌晶体全部研磨为蓬松细微的白色粉末。
4.根据权利要求2所述的一种抗辐照氧化锌纳米材料的其制备方法，其特征在于，所述的二水合乙酸锌的纯度为大于等于99.9%。
5.根据权利要求2所述的一种抗辐照氧化锌纳米材料的其制备方法，其特征在于，所述的预热为：将炉温从室温升至300-400℃。
6.根据权利要求2所述的一种抗辐照氧化锌纳米材料的其制备方法，其特征在于，所述的坩埚为氧化铝坩埚。
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