製備磁性金屬離子摻雜的單晶ZnO基稀磁半導體納米棒的方法
2023-09-23 22:20:25
專利名稱：製備磁性金屬離子摻雜的單晶ZnO基稀磁半導體納米棒的方法
技術領域：
本發明涉及製備ZnO基稀磁半導體納米棒材料的方法，特別是製備磁性金屬離子摻雜的單晶ZnO基稀磁半導體納米棒的方法。屬於納米技術領域。
背景技術：
信息技術的不斷發展離不開先進的電子或光電子器件。目前除繼續發展傳統的利用電子電荷的半導體器件外，開發利用電子自旋的自旋電子器件(自旋閥巨磁電阻讀磁頭等)已開始成為該領域的前沿和研究熱點之一。兼有電荷和自旋兩種特性的稀磁半導體，將有可能成為新一代的信息處理和儲存、量子計算和量子通訊等領域的重要材料。在過去二十年裡有關不同種類不同結構的稀磁半導體材料的研究方興未艾，人們正在探求這種能將電子的電荷與自旋有效結合的新技術，從而實現一些全新的在半導體和鐵磁材料中共存的功能。
近年來廣泛報導的金屬氧化物半導體——維納米結構(納米線、納米帶、納米棒等)，如ZnO，SnO2，MoOX，TiO2，MnO2等，大都為本徵半導體，作為納米電子與光電子材料而應用，與碳納米管相比具有巨大的優勢。其中，ZnO在室溫下具有寬的直接帶隙(3.37eV)和大的激子束縛能(60meV)，是一種適合用於製作室溫短波長光電子器件的重要材料。對ZnO——維納米結構進行磁性過渡金屬離子摻雜，有望實現大的自旋極化載流子濃度、高的居裡溫度，從而將ZnO——維納米結構優異的光電子功能與稀磁半導體獨特的自旋電子功能進行集成，成為構造全新的短波長光電磁信息功能集成型納米自旋光電子器件的理想材料。
國內外目前已經報導的有關磁性離子摻雜的ZnO基稀磁半導體納米結構(簡稱Zn1-xTMxO，TM＝Co、Fe、Ni、Mn、)的製備方法主要有雷射脈衝沉積法、分子束外延生長法、金屬有機化學氣相沉積法和氣相蒸發法。這些方法都利用了真空沉積過程，在製備過程中較易產生金屬或金屬氧化物雜質，同時存在原料和製備成本較高，設備要求高的不足。
發明內容
本發明在於克服現有技術的不足，提供一種在溶液中製備磁性金屬離子摻雜的單晶ZnO基稀磁半導體納米棒的方法(磁性金屬離子可以是Co、Fe、Ni、Mn)。
本發明是通過以下技術方案實現的在溶液中，用溫度控制生成的ZnO晶粒大小，以直徑為幾十納米的單分散ZnO晶粒為種子，通過化學反應在其上外延地生長Zn1-xTMxO(TM為磁性過渡族金屬，x為成分百分比)，使得磁性金屬離子均勻摻雜到纖鋅礦結構(晶體的一種微觀結構)的ZnO晶格中去，從而形成稀磁半導體納米棒的材料。
具體方法步驟如下1、將0.005～0.1Mol/L醋酸鋅Zn(CH3COO)2的乙醇溶液裝入250ml的單口瓶中，將0.015～0.3Mol/L的NaOH甲醇溶液中逐步滴加到裡面，磁力攪拌，反應溫度可控制在60～90℃之間，製成大小均勻粒徑在10～40nm內的ZnO納米顆粒的膠體分散液；2、將0.0012～0.25M六次甲基四氨溶入蒸餾水中，同5ml的ZnO分散液混合後加熱到70～90℃並不停攪拌；3、Zn(NO3)2和一種或兩種硝酸鹽(Co(NO3)2、Mn(NO3)2、Ni(NO3)2、Fe(NO3)2)按照20～4的摩爾比混合溶解在蒸餾水中，再添加0.1～5克的聚乙二醇(PEG)，超聲分散10分鐘；4、步驟3所配得的混合溶液逐滴加入到步驟2中的混合溶液裡，在70～90℃時反應2小時；5、自然冷卻到室溫，將白色沉澱用蒸餾水清洗3次後，再用乙醇溶液清洗兩次，40～60℃烘乾得到ZnO單晶顆粒的白色粉末，白色粉末通過電子顯微鏡觀察為纖鋅礦結構的納米棒材料。
本發明通過控制反應劑的配比，在一定範圍內可控制ZnO晶體中摻雜離子的濃度；通過控制反應溫度來控制生成納米棒的形貌和結構，使之具有與稀磁半導體相關的物理性能。該方法具有製備成本低，操作簡便易行，可重複性高等優點，對於研究稀磁半導體的磁性起源，材料結構對磁性、光學、電學等性能的影響，豐富電子學研究對象，構造納米級自旋電子器件等方面有著重要的作用。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明方法進一步說明。
實施例1將0.3MNaOH的甲醇溶液滴加到0.1M醋酸鋅的乙醇溶液中在90℃下生成白色ZnO的分散體系。
將得到的ZnO納米粒子的分散液取50ml，同配製的0.25M六次甲基四氨溶液混合在一起加熱攪拌至90℃。2克PEG(分子量為10000)、硝酸鈷和硝酸鎳(摩爾比 鈷∶鋅＝0.1)混合溶解在60ml的蒸餾水中。然後逐滴加入到六次甲基四氨溶液中在70℃時反應2小時，最後得到的樣品用蒸餾水清洗3次後，再用乙醇溶液清洗兩次，樣品經沉澱後得到白色粉末狀物質。
實施例20.005M NaOH的甲醇溶液滴加到0.015M醋酸鋅的乙醇溶液中在80℃下生成白色ZnO的分散體系。
將得到的ZnO納米粒子的分散液取5ml，同配製的0.0012M六次甲基四氨溶液混合在一起加熱攪拌至80℃。0.1克PEG(分子量為10000)、硝酸鋅和硝酸鎳(摩爾比鎳∶鋅＝0.15)混合溶解在12ml的蒸餾水中。然後逐滴加入到六次甲基四氨溶液中在80℃時反應2小時，最後得到的樣品用蒸餾水清洗3次後，再用乙醇溶液清洗兩次，樣品經沉澱後得到白色粉末狀物質。
實施例30.03M NaOH的甲醇溶液滴加到0.01M醋酸鋅的乙醇溶液中在60℃下生成白色ZnO的分散體系。
將得到的ZnO納米粒子的分散液取6ml，同配製的0.025M六次甲基四氨溶液混合在一起加熱攪拌至70℃。0.1克PEG(分子量為40000)、硝酸鋅和硝酸錳(摩爾比錳∶鋅＝0.2)混合溶解在12ml的蒸餾水中。然後逐滴加入到六次甲基四氨溶液中在90℃時反應2小時，最後得到的樣品用蒸餾水清洗3次後，再用乙醇溶液清洗兩次，樣品經沉澱後得到白色粉末狀物質。
權利要求
1.一種製備磁性金屬離子摻雜的單晶ZnO基稀磁半導體納米棒的方法，其特徵在於在溶液中，用溫度控制生成的ZnO晶粒大小，以直徑為幾十納米的單分散ZnO晶粒為種子，通過化學反應在其上外延地生長Zn1-xTMxO，使得磁性金屬離子均勻摻雜到纖鋅礦結構的ZnO晶格中去，從而形成稀磁半導體納米棒的材料。
2.根據權利要求1所述的製備磁性金屬離子摻雜的單晶ZnO基稀磁半導體納米棒的方法，其特徵在於步驟如下1)將0.015～0.3Mol/L的NaOH溶解在甲醇溶液中，逐步滴加到溶有0.005～0.1Mol/L醋酸鋅的乙醇溶液中，磁力攪拌，反應溫度可控制在60～90℃之間，製成大小均勻粒徑在10～40nm內的ZnO納米顆粒的膠體分散液；2)將0.0012～0.25M六次甲基四氨溶入蒸餾水中，同5～50ml的ZnO分散液混合後加熱到70～90℃並不停攪拌；3)Zn(NO3)2和一種或兩種硝酸鹽(Co(NO3)2、Mn(NO3)2、Ni(NO3)2、Fe(NO3)2)按照20～4的摩爾比混合溶解在蒸餾水中，再添加0.1～5克的聚乙二醇(PEG)，超聲分散10分鐘；4)步驟3所配得的混合溶液逐滴加入到步驟2中的混合溶液裡，在70～90℃時反應2小時；5)自然冷卻到室溫，將白色沉澱用蒸餾水清洗3次後，再用乙醇溶液清洗兩次，40～60℃烘乾得到ZnO單晶顆粒的白色粉末，白色粉末通過電子顯微鏡觀察為纖鋅礦結構的納米棒材料。
全文摘要
本發明提出了一種製備磁性金屬離子摻雜的單晶ZnO基稀磁半導體納米棒的方法，是在溶液中，用溫度控制生成的ZnO晶粒大小，以直徑為幾十納米的單分散ZnO晶粒為種子，通過化學反應在其上外延地生長Zn
文檔編號C30B29/16GK1831211SQ20061001825
公開日2006年9月13日 申請日期2006年1月19日 優先權日2006年1月19日
發明者王浩, 汪漢斌, 楊輔軍, 薛雙喜 申請人:湖北大學