CN111809158A - 一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列、制备方法及其应用。所述制备方法为采用磁控溅射和煅烧的方法在硅基板衬底上沉积晶种层，然后在上面沉积前驱体溶液得到过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列，Zn1‑xMnxO纳米线阵列具有明显的室温铁磁性，具有良好的饱和磁化强度和矫顽场，是一种优良的磁光材料，在光存储和磁存储器件中有着巨大的应用潜力。

Description

一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及纳米线阵列技术领域，特别是涉及一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列、制备方法及其应用。
背景技术
氧化物稀磁半导体(O-DMS)是由三维过渡金属(TM)原子掺杂而成的功能材料。近年来，O-DMS因其在室温铁磁、自旋电子学、信息处理和存储器件中的许多潜在应用而引起了人们极大的兴趣，在这些器件中，电子电荷和自由度自旋都可以同时操纵。另一方面，一维磁性纳米棒具有优异的磁性和作为磁性器件的潜在用途。典型磁性纳米棒的理想存储密度可达3.1×105Gbit/m2，是现有磁盘的20万倍。许多研究表明磁性纳米棒阵列在高密度磁记录、超高密度存储器和纳米磁铁中的重要性。O-DMS被用作自旋器件、磁光开关、磁传感器、非易失性存储器、自旋阀晶体管和自旋发光二极管(led)的记录材料。
ZnO是一种直接带隙宽(3.37eV)、热稳定性好、成本低、激子结合能高(60meV)、室温发射特异性强的II-VI宽带隙半导体。它还具有较高的光电耦合、低介电常数、高化学稳定性以及优异的压电、气敏和室温光学性能。因此，氧化锌基DMS得到了广泛的研究。一些研究表明，在低温下通过不同的制备方法掺杂不同的3d-TM原子(Fe、Mn、Nd、Ni和Co)，可以得到ZnO基DMS。ZnO基DMS具有较高的居里温度、较大的激子结合能和较高的磁离子溶解度。因此，ZnO基DMS在自旋电子学、微电子等领域的发展提供了更广阔的应用前景。离子注入法成功制备了具有特殊发光特性的共掺杂ZnO纳米棒。采用水热法制备了在330k下具有稳定铁磁性的Zn1-xMnxO纳米棒。通过共沉积制备了具有优异铁磁稳定性的Mn掺杂ZnO纳米粒子(NP)。Wang等人制备了具有大磁各向异性的掺钕氧化锌纳米线阵列，Liu等人用第一性原理方法研究了共掺杂ZnO纳米材料的磁行为和磁耦合机理，但其理论结果尚未得到实验验证。Tahir等人合成了Co掺杂氧化锌纳米材料，并对其室温铁磁性进行了研究。他们排除了导致RTFM的外源污染物，但无法解释是什么缺陷导致了室温铁磁性。在400℃下用氢辐照制备了Co掺杂ZnO薄膜，氢的加入使薄膜的饱和磁化强度增加。然而，Co的掺入对磁性的影响还没有阐明。纳米线阵列的表面效应和亚稳态生长特性导致了相应薄膜和块体材料中的缺陷，纳米氧化物稀磁半导体通常表现出不同的磁特性。目前还没有一种有效的制备方法来控制DMSs纳米线阵列的磁性。
发明内容
本发明的目的是提供一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列、制备方法及其应用，以期提供一种可有效控制磁性的ZnO纳米线阵列制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)对硅基板衬底进行预处理；
(2)采用磁控溅射和煅烧的方法在硅基板衬底上沉积晶种层，得到具有晶种层的硅基板衬底；
(3)将醋酸锌和氢氧化钠的混合溶液与醋酸锰溶液在磁力搅拌下混合，形成前驱体溶液；
(4)将前驱体溶液装入反应器中，通过水热合成法，在具有晶种层的单晶硅衬底上沉积垂直排列的Zn1-xMnxO阵列，清洗，干燥，即得过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列。
作为本发明的进一步改进，所述硅基板衬底为单晶硅片，预处理过程为裁剪单晶硅片，采用丙酮、乙醇和去离子水依次对单晶硅片进行清洗，清洗过程在超声辅助下进行，得到洁净的单晶硅片。
作为本发明的进一步改进，步骤(2)中所述沉积晶种层的过程为：
第一，将洁净的单晶硅片置于磁控溅射机基台上；
第二，对磁控溅射机进行抽真空，充N2气清洗腔室，重复循环3次，清洗结束保持腔室内的工作气压为8.8Pa，初始遮挡靶头，射频溅射功率为60W，启辉溅射除杂1min并逐渐增大溅射功率至125W，同时基底升温至30℃，后移除挡板，开始溅射，溅射时间为28-30min；用真空管式炉对晶种进行热处理，在N2气氛中进行，温度为400℃，时间为180min；即可完成沉积过程。
作为本发明的进一步改进，步骤(3)中醋酸锌和氢氧化钠的混合溶液的混合质量比为1：10。
作为本发明的进一步改进，步骤(4)中水热合成的温度为100-120℃，反应时间为3-5h。
本发明采用磁控溅射和水热法制备了Zn1-xMnxO纳米棒阵列。首先在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗硅衬底15min，然后通过煅烧保证单晶硅衬底上沉积种子层的活性。第二步是将原始溶液与不同含量的醋酸锰溶液在磁力搅拌下搅拌30min，形成前驱体溶液。将混合溶液装入高压反应釜中，在100℃烘箱中保持3h，反应完成后，用去离子水和乙醇洗涤三次，然后在40℃下干燥以备表征。通过水热合成，在具有种子层的单晶硅衬底上沉积了垂直排列的Zn1-xMnxO纳米线阵列。
本发明还提供一种利用所述的过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列的制备方法制备的过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列。
本发明还提供一种所述的过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列在制作冷阴极场发射和发光器件中的应用。
本发明公开了以下技术效果：
本发明采用磁控溅射和水热法制备了Zn1-xMnxO纳米线阵列，探讨了掺杂浓度和水热生长条件对Zn1-xMnxO纳米线阵列的晶体结构、形貌、磁性和光学性质的影响。表面形貌表征结果表明Zn1-xMnxO纳米线阵列沿[0001]方向分布均匀致密，具有六方纤锌矿结构。此外，Zn1-xMnxO纳米线阵列中未发现杂质相。在高饱和磁化强度为4.4×10-4emu/g，剩余磁化强度为1.1×10-4emu/g，矫顽力为309Oe的条件下，研究了Zn1-xMnxO纳米线阵列的室温铁磁性。此外，Zn1-xMnxO纳米线阵列在紫外光区的发光强度是纯ZnO纳米线阵列的近5倍。随着Mn2+掺杂浓度的增加，紫外发射峰出现红移现象。理论结果表明，在费米能级附近存在明显的自旋极化，具有较强的Mn 3d和O 2p杂化效应。磁矩主要由Mn 3d和O 2p轨道电子的部分贡献产生。这些结果表明Zn1-xMnxO纳米线阵列可以作为潜在的磁光材料。
本发明在硅衬底上制备了Zn1-xMnxO纳米线阵列，并对其形貌、结构和磁光性能进行了分析。Zn1-xMnxO纳米线阵列具有均匀、致密和高度择优取向的[0001]面，具有六方纤锌矿结构。Zn1-xMnxO纳米线阵列具有优异的光学性能，其紫外发光强度比纯ZnO纳米棒阵列高近5倍。Zn1-xMnxO纳米线阵列具有明显的室温铁磁性，具有良好的饱和磁化强度和矫顽场。理论计算进一步揭示了Zn1-xMnxO纳米线阵列的磁源和发光机理。总之，所提出的Zn1-xMnxO纳米线阵列是一种优良的磁光材料，在光存储和磁存储器件中有着巨大的应用潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为不同含量Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的XRD光谱；
图2为ZnO在不同放大倍率下的SEM图像，其中，左图为50K放大倍率下的SEM图，右图为30K放大倍率下的SEM图；
图3为1％Mn-ZnO在60K放大倍率下的SEM图；
图4为3％Mn-ZnO在60K放大倍率下的SEM图；
图5为5％Mn-ZnO在不同放大倍率下的SEM图，其中，左图为60K放大倍率下的SEM图，右图为30K放大倍率下的SEM图；
图6为7％Mn-ZnO在不同放大倍率下的SEM图，其中，左图为200K放大倍率下的SEM图，右图为50K放大倍率下的SEM图；
图7为不同含量Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的光致发光PL光谱；
图8为不同含量Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的紫外吸收光谱，其中，图a为紫外-可见吸收光谱，图b为(αhv)1/2与能量(hv)的Tauc图；
图9为室温下Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的室温磁化强度随外磁场(M–H曲线)的变化图，其中图a为室温M–H曲线，图b为图a中小方格的放大室温M–H曲线。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例
实施例1-实施例5的具体工艺如下：
第一，裁剪单晶硅片，采用丙酮、乙醇和去离子水依次对单晶硅片进行清洗，清洗过程在超声辅助下进行，得到洁净的单晶硅片。
第二，将洁净的单晶硅片置于磁控溅射机基台上。
第三，对磁控溅射机进行抽真空，充N2气清洗腔室，重复循环3次，清洗结束保持腔室内的工作气压为8.8Pa，初始遮挡靶头，射频溅射功率为60W，启辉溅射除杂1min并逐渐增大溅射功率至125W，同时基底升温至30℃，后移除挡板，开始溅射，溅射时间为28-30min；用管式气氛炉对晶种进行热处理，在N2气氛中进行，温度为400℃，时间为2h。通过煅烧保证了单晶硅衬底上沉积种子层的活性。分别称量1.605g(8.75mmol)的乙酸锌和3.5g(87.5mmol)的氢氧化钠分别溶解于35ml去离子水中，搅拌30min后，混合后继续搅拌1.5h，形成原始溶液。向原始溶液中加入不同含量的醋酸锰，在磁力搅拌下搅拌30min，形成前驱体溶液。将混合溶液装入高压反应釜中，在100℃烘箱中保持3h，反应完成后，用去离子水和乙醇洗涤三次，然后在40℃下干燥以备表征。通过水热合成，在具有种子层的单晶硅衬底上沉积了垂直排列的Zn1-xMnxO纳米线阵列。
实施例1-实施例5的具体工艺参数见表1。表1
Figure BDA0002596401390000081
图1显示了不同含量Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的XRD光谱。不同掺杂浓度下得到的主要衍射峰与六方纤锌矿结构一致(如图1所示)。因此，Mn掺杂并未改变ZnO晶体结构，在不同浓度Mn掺杂的样品中并未检测到其他物质的晶相，表明Mn2+离子成功取代Zn2+，并进入到ZnO晶格中，未产生其他衍生产物。从图中明显发现，随着Mn2+掺杂浓度的增大，[002]晶面的衍射峰强度呈现增大的趋势，而[103]晶面衍射强度减小，这是由于ZnO[002]晶面表面能密度较低，表面不受影响，沿[002]晶体的生长更为有利。
图2为ZnO在不同放大倍率下的SEM图像。图3-图6显示了不同含量Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的SEM图像。Mn掺杂ZnO纳米棒阵列垂直于衬底呈六边形结构，显示出沿[0001]方向的高度择优取向，与XRD结果一致。Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的平均直径约为110-200nm。1％，5％和7％含量的Mn掺杂ZnO纳米棒粒径小于纯的ZnO，但是7％含量的Mn掺杂ZnO的纳米棒粒径和纯ZnO尺寸几乎相同，说明，Mn掺杂一定程度上抑制了ZnO纳米棒阵列生长，从而导致晶粒尺寸的减小。此外，明显发现，纯ZnO纳米棒阵列的顶部生长趋势很明显。但是随着Mn掺杂，样品的顶端生长优势消失，六边形形貌逐渐增强。
不同含量Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的PL光谱见图7。样品在375nm(3.31eV)的紫外和可见光区都有发光，发光范围分别为450～700nm。Mn掺杂ZnO纳米棒阵列在紫外区域的发光强度几乎没有产生很明显的变化，说明Mn的加入并不会对ZnO纳米棒阵列的紫外发光产生影响，而可见光区的发光强度随着Mn掺杂量的增加而减小。这证实了Mn2+与ZnO的Zn2+晶格成功结合，并发现不同含量的Mn对ZnO纳米棒阵列的可见发光产生明显的影响。说明Mn含量可以调控ZnO纳米棒阵列的发光性能。样品发光峰的半高全宽作为衡量纳米材料晶体质量的一个标志，样品中的缺陷会对此非常敏感，材料中的应力往往会导致带边激子峰的宽化，从图7中明显发现，随着Mn含量的增加,可见发光峰的半高全宽逐渐增大,说明Mn的引入对ZnO纳米棒阵列的结晶质量产生影响。ZnO纳米棒阵列材料在紫外光区的近带边发光通常是由于自由激子(电子和空穴对)通过激子-激子无序碰撞过程复合而产生的。另一方面，可见光区的缺陷级发光归因于与本征缺陷相关的电子空穴的复合，如O空位(VO)、Zn空位(VZn)、间隙Zn(Zni)、间隙O(Oi)、Zn反尖晶石(ZnO)和O反晶缺陷OZn(锌位氧)。SEM图像显示ZnO纳米棒阵列的纳米棒直径在掺入Mn之后呈减小趋势，表明样品表面存在许多缺陷。因为较小尺寸的ZnO纳米结构有利于在ZnO表面形成缺陷。
不同含量Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的紫外吸收光谱见图8。从图8中明显看到，样品在430nm处开始发生光吸收。当掺杂浓度为7wt％时，吸收峰强度最高。随着Mn2+掺杂浓度的增加，样品的光吸收度明显增加，这与形态学研究一致。即具有小而均匀的晶粒尺寸的ZnO纳米棒阵列具有增强了紫外光的吸收。紫外吸收表明，样品占据的空间很小，导致从衬底到空气的折射率发生变化，从而产生更多的光子被样品吸收。利用光吸收波长阈值和禁带宽度之间的关系，可以计算得出样品的禁带宽度分别为2.73eV，2.53eV和1.9eV。数据说明，样品的光吸收能力与Mn掺杂含量的关系,发现随着Mn含量的增加,样品的吸收度增强。这说明Mn的加入改变了ZnO纳米线的禁带宽度,也就是说Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的光学性能可以通过调节Mn的掺杂含量来控制,这为磁光器件的制备提供了良好的材料基础。然而，吸收光谱(图a)显示了由于样品的色调和镜面反射而产生的一些漂移。为了避免光谱偏移引起的误差，通过Kubelka-Munk方程将紫外-可见光谱转换为(αhv)1/2与能量(hv)的Tauc图(图b)。以此计算出样品的Eg值，结果与用光吸收波长阈值和禁带宽度之间的关系计算的截断法的结果相一致。
室温下Mn掺杂ZnO纳米棒阵列的室温磁化强度随外磁场(M–H曲线)的变化见图9。当外加磁场持续在±5000(Oe)时，未扣除硅衬底的抗磁性的室温磁滞回线的磁化率为正(图a)。然而，当外加磁场超过±5000(Oe)时，磁化率变为负值，说明室温下样品具有抗磁性和非饱和磁化，这是由于硅衬底的抗磁性与饱和磁化强度之间的负反作用所致。在图b中，Mn掺杂ZnO纳米棒阵列显示室温铁磁性，饱和磁化强度为0.25emu/g，剩余磁化强度为0.05emu/g，矫顽场(Hc)为264Oe。Das等人测量了Co掺杂氧化锌具有235Oe的矫顽场(Hc)。报道的掺杂氧化锌的饱和磁化强度小于本研究中获得的值。因此，饱和磁化强度的降低可能意味着某些掺杂的Mn离子占据了纯ZnO纳米棒阵列中的空位缺陷，从而抵消了由缺陷引起的磁化。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对硅基板衬底进行预处理；
(2)采用磁控溅射和煅烧的方法在硅基板衬底上沉积晶种层，得到具有晶种层的硅基板衬底；
(3)将醋酸锌和氢氧化钠的混合溶液与醋酸锰溶液在磁力搅拌下混合，形成前驱体溶液；
(4)将前驱体溶液装入反应器中，通过水热合成法，在具有晶种层的硅基板衬底上沉积垂直排列的Zn1-xMnxO阵列，清洗，干燥，即得过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列。
2.根据权利要求1所述的一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列的制备方法，其特征在于，所述硅基板衬底为单晶硅片，预处理过程为裁剪单晶硅片，采用丙酮、乙醇和去离子水依次对单晶硅片进行清洗，清洗过程在超声辅助下进行，得到洁净的单晶硅片。
3.根据权利要求1所述的一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述沉积晶种层的过程为：
第一，将洁净的单晶硅片置于磁控溅射机基台上；
第二，对磁控溅射机进行抽真空，充N2气清洗腔室，重复循环3次，清洗结束保持腔室内的工作气压为8.8Pa，初始遮挡靶头，射频溅射功率为60W，启辉溅射除杂1min并逐渐增大溅射功率至125W，同时基底升温至30℃，后移除挡板，开始溅射，溅射时间为28-30min；用真空管式炉对晶种进行热处理，在N2气氛中进行，温度为400℃，时间为180min；即可完成沉积过程。
4.根据权利要求1所述的一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列的制备方法，其特征在于，步骤(3)中醋酸锌和氢氧化钠的混合溶液的混合质量比为1：10。
5.根据权利要求1所述的一种过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列的制备方法，其特征在于，步骤(4)中水热合成的温度为100-120℃，反应时间为3-5h。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列的制备方法制备的过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列。
7.一种权利要求6所述的过渡金属掺杂ZnO纳米线阵列在制作冷阴极场发射和发光器件中的应用。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006517175A (ja) * 2003-02-06 2006-07-20 エンエム スピントロニクス アクティエボラーグ 強磁性材料
CN1985359A (zh) * 2004-05-18 2007-06-20 Nm斯平特罗尼克公司 锰掺杂磁半导体
CN101016648A (zh) * 2006-12-11 2007-08-15 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种过渡金属掺杂氧化锌晶体及其水热法生长方法
CN101486486A (zh) * 2009-02-24 2009-07-22 上海大学 强磁场下ZnO及其稀磁半导体材料的制备方法与装置
CN103194798A (zh) * 2013-04-02 2013-07-10 浙江大学 一种过渡金属掺杂ZnO基铁磁多晶薄膜及其制备方法
CN104047053A (zh) * 2014-06-12 2014-09-17 济南大学 磁性掺杂的氧化锌微米结构及其制备方法
CN106186040A (zh) * 2016-06-25 2016-12-07 延安大学 一种水热法制备过渡金属掺杂ZnO纳米线的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006517175A (ja) * 2003-02-06 2006-07-20 エンエム スピントロニクス アクティエボラーグ 強磁性材料
CN1985359A (zh) * 2004-05-18 2007-06-20 Nm斯平特罗尼克公司 锰掺杂磁半导体
CN101016648A (zh) * 2006-12-11 2007-08-15 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种过渡金属掺杂氧化锌晶体及其水热法生长方法
CN101486486A (zh) * 2009-02-24 2009-07-22 上海大学 强磁场下ZnO及其稀磁半导体材料的制备方法与装置
CN103194798A (zh) * 2013-04-02 2013-07-10 浙江大学 一种过渡金属掺杂ZnO基铁磁多晶薄膜及其制备方法
CN104047053A (zh) * 2014-06-12 2014-09-17 济南大学 磁性掺杂的氧化锌微米结构及其制备方法
CN106186040A (zh) * 2016-06-25 2016-12-07 延安大学 一种水热法制备过渡金属掺杂ZnO纳米线的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FUCHUN ZHANG: "Electronic Structure and Magnetism of Mn-Doped ZnO Nanowires", 《NANOMATERIALS》 *
YAN JUN-FENG: "Effect of Mn-doping on the growth mechanism and electromagnetic properties of chrysanthemum-like ZnO nanowire clusters", 《CHINESE PHYSICS B》 *
刘巧平: "Co 掺杂浓度对ZnO 纳米棒结构和光学性能影响研究", 《人工晶体学报》 *

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