專利名稱：一種錫摻雜氧化鋅納米線的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術領域，特別是提供了一種氣相制備錫摻雜氧化鋅一維納米材料的方法，合成工藝簡單且產量高，實現(xiàn)了較低制備溫度下的可控生長。
背景技術：
氧化鋅是直接帶隙，寬禁帶半導體，屬II-VI族化合物。室溫下ZnO的禁帶寬度約為3.37eV，激子結合能較高(60meV)，具有壓電性，其光電特性有很好的應用前景。同時ZnO材料廉價、原料充足，化學性能穩(wěn)定，生物相容性好，因而可以應用于光學材料、復合材料、傳感器、催化劑等領域。一維半導體ZnO納米材料特殊的一維納米結構又賦予了ZnO材料在光、電、磁等方面新的物理特性，同時，通過摻雜可使一維ZnO納米材料的性能進一步得到優(yōu)化和改善，促進ZnO納米材料在微納米光電功能器件方面的應用。因而獲得合適的制備工藝實現(xiàn)高品質ZnO納米材料尺寸和光電性能的可控是一維氧化鋅納米材料應用的關鍵。
目前，通過不同的合成方法已經制備出了多種形態(tài)的一維和準一維氧化鋅納米結構形態(tài)，這些納米結構形態(tài)包括氧化鋅納米線、納米帶、四針狀納米棒、納米管、納米螺旋、納米盤以及納米電纜等。不同的納米結構形態(tài)會有不同的潛在用途。ZnO納米線材料作為結構單元，可以廣泛應用于納米尺度激光器、場效應管、傳感器等納米光電子器件，還可以作為冷陰極場電子發(fā)射源應用于場發(fā)射領域。Sn摻雜可以改變一維ZnO納米材料的導電性、光致發(fā)光及場發(fā)射性能，有助于擴寬一維ZnO納米材料的應用領域。迄今為止，關于錫摻雜氧化鋅納米線的制備方法還很少，開發(fā)有效、可靠的制備方法顯得十分重要。
現(xiàn)階段制備一維氧化鋅納米材料的技術發(fā)展迅速，制備形態(tài)各異的納米材料的方法不斷被報道出來，在這些方法中以氣相沉積工藝為主。摻雜一維氧化鋅納米材料的制備方法主要有兩類，第一類是直接將Zn或ZnO與摻雜物混合，采用熱蒸發(fā)等方法直接生成摻雜ZnO納米結構材料；另一類制備摻雜一維氧化鋅納米材料的方法則是先制備出ZnO納米結構材料，然后采用蒸發(fā)擴散或離子注入等方法實現(xiàn)摻雜。比較而言，一步法實現(xiàn)摻雜工藝更為簡單，產物品質高，成本低，有利于器件組裝。以氧化鋅粉為原料的物理氣相沉積的制備溫度一般在1400℃左右，合成溫度較高。在制備過程中添加金、鈷等金屬催化劑可以降低合成溫度，產物形貌和尺寸更容易控制，但產物純度受到很大影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于提供一種氣相沉積制備錫摻雜氧化鋅納米線的方法，降低制備溫度，改善制備工藝的可控性，提高產品質量和產率。實現(xiàn)了半導體一維氧化鋅納米材料的摻雜，制備出錫摻雜氧化鋅納米線。該方法初步實現(xiàn)錫摻雜氧化鋅納米線的可靠制備，制備溫度降低，并大范圍提高了其產率。
本發(fā)明的具體工藝如下1、將硅(100)基片用清洗劑沖洗干凈，作為沉積基片。硅基片可采用純硅基片或摻雜硅基片，同時基片上可濺射沉積一層Ag、Au或Pt作催化劑。清洗過程為先用丙酮和酒精分別超聲清洗20分鐘，然后用去離子水沖洗；2、將ZnO粉(純度＞99.9％)、SnO粉(純度＞99.9％)和C粉按摩爾比[(5/6∶1/6)～(1/2∶1/2)]∶1充分混合均勻，混粉工藝可利用球磨的方法，并將混合粉末作為反應源放置于瓷舟中，然后將硅基片倒扣于瓷舟上；3、把承載反應源和基片的瓷舟放入管式爐中的石英管中部，調節(jié)流量計向石英管中通入氬氣和氧氣的混合氣體，總流量為300～350cm3/min，氧氣比例為1～2％，在此氣氛下將管式爐升溫至合成溫度850～950℃，然后保溫30～60分鐘，制備反應結束后，樣品隨爐冷卻至室溫，所得產品即為錫摻雜氧化鋅納米線。
本發(fā)明所述的硅(100)基片采用純硅基片或摻雜硅基片，同時基片上濺射沉積一層Ag、Au或Pt作催化劑；先用丙酮和酒精分別超聲清洗20～30分鐘，然后用去離子水沖洗。
實驗過程中通過碳熱還原作用釋放出Zn蒸氣和In蒸氣，反應氣體擴散遇到硅基片，在基片表面與體系內少量的氧氣作用反應沉積生成錫摻雜氧化鋅納米線。制備工藝降低了蒸發(fā)反應沉積的溫度，所獲得產物為六方纖鋅礦結構。在較小范圍內調節(jié)沉積溫度，氬氣和氧氣混合氣體的總流量及氧氣所占比例，可以制備不同尺寸的摻雜氧化鋅納米線，保證納米線具有較高的純度，結晶質量高；在硅基片上利用磁控濺射沉積一層金屬催化劑，結合催化輔助的方法，可有效控制摻雜納米線尺寸和形貌，使摻雜氧化鋅納米線尺寸分布更加均勻，產量更高，催化劑的加入會在產物中引入少量污染，降低產品純度。所制備摻雜半導體納米線生長方向主要為 ，納米線形狀規(guī)整，為單晶結構，沿軸向直徑尺寸均勻，大小為40～300nm，納米線長度在幾十微米范圍。采用本方法可以獲得錫摻雜氧化鋅納米線較大范圍的控制合成，產量較高。


圖1是錫摻雜ZnO納米線的XRD衍射譜，主要衍射峰與六方纖鋅礦結構的氧化鋅衍射圖譜相一致。
圖2為典型錫摻雜氧化鋅納米線的掃描電鏡照片，從圖上可以看出，大量納米線覆蓋在硅基片上。
圖3為單根納米線的高倍掃描電鏡照片，圖中納米線表面平滑，形狀規(guī)整，沿軸向直徑尺寸均勻一致，具有高的長徑比。
具體實施例方式
在以下實驗條件下制得的產物質量較好。實驗設備為水平管式爐，規(guī)格長75cm，管徑45mm，最高加熱溫度1000℃；石英管管長100cm，管徑32mm。
實施例1首先將硅(100)基片在丙酮和無水乙醇中分別超聲清洗20分鐘，然后用去離子水沖洗干凈。將ZnO粉、SnO和C粉按原子比4∶1∶5混合，球磨2小時充分混合均勻作為原料放于瓷舟內，硅基片置于其上。然后將瓷舟放于管式爐中的石英管中部，調節(jié)流量計向管中通入氬(98％)/氧(2％)混合氣體(300sccm)。在此氣氛下以每分鐘20℃的速度將管式爐升溫至900℃并保溫40分鐘，基片上沉積的灰白色絨狀物即為錫摻雜氧化鋅納米線。
實施例2在清洗干凈的硅(100)基片上采用磁控濺射方法沉積20nm的Ag作為催化劑，將鍍有催化劑的硅基片作為基底；ZnO、SnO和C粉按1∶1∶2充分混合均勻作為蒸發(fā)源放于瓷舟內，硅片置于瓷舟上，然后將瓷舟放入管式爐中的石英管中部；調節(jié)流量計向管中通入Ar與O2混合氣體300cm3·min-1，氧氣比例1％，反應溫度930℃，在此溫度下保溫30分鐘，繼續(xù)通氣體直至管式爐冷卻至室溫，取出硅基片即得產物。
權利要求
1.一種錫摻雜氧化鋅納米線的制備方法，其特征在于制備工藝為a.將硅(100)基片用清洗劑沖洗干凈，作為沉積基片；b.將ZnO粉、SnO粉和C粉按原子比[(5/6∶1/6)～(1/2∶1/2)]∶1混合均勻，并將混合粉末作為反應源放置于瓷舟中，然后將硅基片倒扣于瓷舟上；c.把瓷舟放入管式爐中的石英管中部，使用流量計調節(jié)通入反應體系內氬氣和氧氣的總流量及兩種氣體的比例，氬氣和氧氣總流量為300～350cm3/min，氧氣比例為1～2％；在設定氣氛下將管式爐升溫至合成溫度，合成溫度為850～950℃，然后保溫30～60分鐘，制備反應結束后樣品隨爐冷卻至室溫，所得產品為錫摻雜氧化鋅納米線。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于硅(100)基片采用純硅基片或摻雜硅基片，同時基片上濺射沉積一層Ag、Au或Pt作催化劑；先用丙酮和酒精分別超聲清洗20～30分鐘，然后用去離子水沖洗。
3.按照權利要求1所述的方法，其特征在于ZnO粉、SnO粉和C粉混合采用球磨方式。
全文摘要
一種錫摻雜氧化鋅納米線的制備方法，屬于納米材料制備技術領域。工藝為將硅(100)基片用清洗劑沖洗干凈，作為沉積基片；將ZnO粉、SnO粉和C粉按一定的摩爾比充分混合均勻，混粉工藝可利用球磨的方法，并將混合粉末作為反應源放置于瓷舟中；把承載反應源和基片的瓷舟放入管式爐中的石英管中部，調節(jié)流量計向石英管中通入氬氣和氧氣的混合氣體，總流量為300～350cm
文檔編號B82B3/00GK101045553SQ20071006521
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權日2007年4月6日
發(fā)明者張躍, 陳紅升, 齊俊杰, 黃運華, 張曉梅, 廖慶亮 申請人:北京科技大學