一種製備摻鈷氧化鋅納米陣列的方法
2023-05-03 17:17:51
專利名稱：一種製備摻鈷氧化鋅納米陣列的方法
技術領域：
本發明屬於納米材料製備技術領域，特別是提供了一種製備摻鈷氧化鋅納米陣列的方法，為一維稀磁半導體材料的製備提供了一種可靠的製備技術，在800℃、無催化條件下，實現了一維摻鈷氧化鋅納米陣列的可控生長，並且所製備出的納米陣列其潛在的場發射性能及磁學性能將會成為電、磁領域的理想的稀磁半導體材料。
背景技術：
現代信息技術實現了信息的存儲和處理，信息的存儲是利用了磁性材料的磁矩，而信息的處理則依靠半導體晶片中載流子的電荷運動得以實現。稀磁半導體的出現就是將磁、電集於一體的半導體器件。稀磁半導體一個獨特而重要的特點是磁極子的局域磁矩和電子(空穴)的自旋相互作用，它與傳統半導體最大的差別在於，稀磁半導體在同一個器件上同時應用了電子的電荷和自旋兩種自由度。稀磁半導體(DMS)是由半導體的非磁性離子被磁性過渡金屬離子替代而形成的，從而產生了局域磁性離子。這類材料在無外磁場時表現出非磁性，在外磁場下則表現出一定的磁性。稀磁半導體呈現出強烈的自旋相關的光學性質和輸運性質，如巨在Zeeman效應、巨Faraday旋轉、自旋共振隧穿和自旋Hall效應等。這些效應為人們製備半導體自旋電子學器件提供了物理基礎。另外，利用稀磁半導體的特殊性質，通過給半導體注入自旋電流來控制載流子的自旋態，那麼就可解決下一代量子計算機的量子位操作問題，快速、功能更加強大的量子計算機則指日可待。因此，居裡溫度高於室溫的鐵磁稀磁半導體對於實際器件的應用至關重要。近年來，關於鈷摻雜氧化鋅薄膜具有室溫鐵磁性的報導已有很多[1.H.J.Lee，S.Y.Jeong，C.R.Cho，and C.H.Park，Appl.Phys.Lett.81，4020(2002).2.W.Prellier，A.Fouchet，B.Mercey，Ch.Simon，andB.Raveau，Appl.Phys.Lett.82，3490(2003).3.D.P.Norton，M.E.Overberg，S.J.Pearton，K.Pruessner，J.D.Budai，L.A.Boatner，M.F.Chisholm，J.S.Lee，Z.G.Khim，Y.D.Park.andR.G.Wilson，Appl.Phys.Lett.83，5488(2003).4.M.Venkatesan，C.B.Fitzgerald，J.G.Lunney，and J.M.D.Coey，Phys.Rev.Lett.93，177206(2004).]。另一方面，一維氧化鋅納米結構摻雜3d過渡族金屬因其在自旋電子納米器件領域的潛在應用也吸引了很大的關注。纖鋅礦結構氧化鋅屬寬禁帶隙II-VI族化合物半導體，室溫下ZnO的禁帶寬度約為3.37eV，Sato等人通過電子結構計算證明了過渡金屬原子(Fe，Co，Ni，V，Cr，Mn)摻入ZnO中其磁矩表現出鐵磁有序。但是，一維尺寸範圍內的摻鈷氧化鋅方面的研究卻較少，其主要的原因是一維尺度範圍內的摻雜鈷元素的製備很難進行，大多數的研究仍然集中在二維尺度範圍內。所以我們所用的這種方法在工藝上實現了低維尺寸的稀磁半導體材料的製備，並且其工藝的穩定性和可控性也得到了基本的實現。
發明內容
本發明的目的在於提供一種製備摻鈷氧化鋅納米陣列的方法，成功的使氧化鋅摻鈷元素的稀磁半導體的製備技術延展到一維納米材料的尺度。通過這種製備技術，可以在不使用任何催化劑的條件下，簡單有效地製得一維摻鈷氧化鋅納米陣列。
本發明的工藝步驟為1、首先將矽片用金剛石刀裁剪成片，放到培養皿中。在培養中倒入純度為99.5％的酒精，以完全浸沒矽片為準。浸泡10-30分鐘後將矽片拿出，在空氣中風乾。
2、取純鋅粉(純度99.9％)和六水氯化鈷粉末(純度99.9％)，以1∶1至1∶2的重量比混合。混合粉末在研缽中研磨，達到均勻混合，作為原料備用。注六水氯化鈷粉末事先150℃乾燥1-1.5小時。
3、將管式爐溫度上升到780-810℃，並在整個操作中持續保持這個溫度。當管式爐溫度達到780-810℃後，在管式爐中石英管的一端接入氬氣和氧氣混合氣體。氬氣的流量控制在180-220sccm範圍內，氧氣流量為氬氣的3-5％。氬氣的控制是整個製備工藝中關鍵性的步驟，流量的大小直接影響到產物的形貌和產量。當氬氣流量較低(180sccm)時，我們可以得到較多的產物，而氬氣流量較高時(220sccm)的產物的產量不高。但如果氬氣的流量小於180sccm，在矽片上的產物將不再為一維納米結構，而是一些微米級的顆粒狀團聚物；如氬氣的流量大於220sccm，納米材料的生成將難以生成。
4、在瓷舟的中部位置放入適量的步驟2中準備好的原料。平鋪在瓷舟的底部。然後，將矽片的正面倒放在原料的正上方。
5、通入混合氣體，在確保管式爐達到780-810℃，混合氣體通入管內10-20分鐘後，從石英管的另一埠，把瓷舟放入石英管的中心加熱區，進行反應。30-40分鐘後取出瓷舟，得到矽片上沉積著一層淺灰色產物。
6、用掃描電子顯微鏡觀察矽片上沉積的為納米陣列。
優點和積極效果1、使用化學氣相沉積法進行摻鈷氧化鋅納米陣列的製備。製備方法簡單，成本低，可控可靠性高。製備溫度較低，整個製備過程不需要任何催化劑作用。
2、用這種製備方法所做出的一維摻鈷氧化鋅納米陣列在矽基片上排列規整，生長均勻，表面平滑，單個納米棒頂端成六邊形生長。見附圖1為納米陣列的掃描電鏡照片。所製備出的納米棒陣列平均鈷摻雜量為1.23at.％，EDS能譜如附圖2所示。
圖1為鈷摻雜氧化鋅納米陣列形貌，掃描電鏡觀察正視圖，圖2為鈷摻雜氧化鋅納米陣列形貌，掃描電鏡觀察側視圖。
圖3為納米陣列EDS能譜分析圖。
具體實施例方式
實施例11.將矽片用金剛石刀裁剪成1*1.5cm尺寸的小片，放到培養皿中。在培養中倒入純度為99.5％的酒精，以完全浸沒矽片為準。浸泡10分鐘後將矽片拿出，在空氣中風乾備用。
2.取純鋅粉(純度99.9％)和六水氯化鈷粉末(純度99.9％)，以1∶2的重量比混合。混合粉末在研缽中研磨，研磨20分鐘，達到均勻混合，作為原料備用。注六水氯化鈷粉末事先150℃乾燥1小時。
3.開啟管式爐，將管式爐溫度上升到800℃，並在整個操作中持續保持這個溫度。當管式爐溫度達到800℃後，在管式爐中用於發生反應的樣品室，也就是石英管的一端接入氬氣和氧氣的混合氣體。開啟氬氣和氧氣瓶閥門，控制氣體流量氬氣200sccm、氧氣8sccn。
4.在內徑長7.6cm的瓷舟中部位置放入適量的步驟2中準備好的原料。平鋪在瓷舟的底部，以瓷舟底部中心為準，原料在其左右各鋪1cm，厚度為瓷舟高度的三分之一。然後，將矽片放在原料的正上方。
5.通入保護氣氛15分鐘以後，從石英管得另一埠，將瓷舟放入石英管的中心加熱區，進行反應。35分鐘後取出瓷舟，我們會看到矽片上沉積上一層淺灰色的產物。用掃描電鏡可觀察矽片上所生長的為排列均勻的納米陣列。
實施例21.將矽片用金剛石刀裁剪成1*1.5cm尺寸的小片，放到培養皿中。在培養中倒入純度為99.5％的酒精，以完全浸沒矽片為準。浸泡10分鐘後將矽片拿出，在空氣中風乾備用。
2.取純鋅粉(純度99.9％)和六水氯化鈷粉末(純度99.9％)，以11的重量比混合。混合粉末在研缽中研磨，研磨20分鐘，達到均勻混合，作為原料備用。注六水氯化鈷粉末事先150℃乾燥1小時。
3.開啟管式爐，將管式爐溫度上升到800℃，並在整個操作中持續保持這個溫度。當管式爐溫度達到800℃後，在管式爐中用於發生反應的樣品室，也就是石英管的一端接入氬氣和氧氣的混合氣體。開啟氬氣和氧氣瓶閥門，控制氣體流量氬氣200sccm、氧氣8sccm。
4.在內徑長7.6cm的瓷舟中部位置放入適量的步驟2中準備好的原料。平鋪在瓷舟的底部，以瓷舟底部中心為準，原料在其左右各鋪1cm，厚度為瓷舟高度的四分之一。然後，將矽片放在原料的正上方。
5.通入保護氣氛15分鐘以後，從石英管得另一埠，將瓷舟放入石英管的中心加熱區，進行反應。35分鐘後取出瓷舟，我們會看到矽片上沉積上一層淺灰色的產物。用掃描電鏡可觀察矽片上所生長的為排列均勻的納米陣列。
實施例31.將矽片用金剛石刀裁剪成1*1.5cm尺寸的小片，放到培養皿中。在培養中倒入純度為99.5％的酒精，以完全浸沒矽片為準。浸泡10分鐘後將矽片拿出，在空氣中風乾備用。
2.取純鋅粉(純度99.9％)和六水氯化鈷粉末(純度99.9％)，以1∶2的重量比混合。混合粉末在研缽中研磨，研磨20分鐘，達到均勻混合，作為原料備用。注六水氯化鈷粉末事先150℃乾燥1小時。
3.開啟管式爐，將管式爐溫度上升到780℃，並在整個操作中持續保持這個溫度。當管式爐溫度達到780℃後，在管式爐中用於發生反應的樣品室，也就是石英管的一端接入氬氣和氧氣的混合氣體。開啟氬氣和氧氣瓶閥門，控制氣體流量氬氣180sccm、氧氣7sccm。
4.在內徑長7.6cm的瓷舟中部位置放入適量的步驟2中準備好的原料。平鋪在瓷舟的底部，以瓷舟底部中心為準，原料在其左右各鋪1cm，厚度為瓷舟高度的三分之一。然後，將矽片放在原料的正上方。
5.通入保護氣氛15分鐘以後，從石英管得另一埠，將瓷舟放入石英管的中心加熱區，進行反應。40分鐘後取出瓷舟，我們會看到矽片上沉積上一層淺灰色的產物。用掃描電鏡可觀察矽片上所生長的為排列均勻的納米陣列。
權利要求
1.一種製備摻鈷氧化鋅納米陣列的方法，其特徵在於，工藝步驟為a、首先將矽片用金剛石刀裁剪成片，放到培養皿中，在培養中倒入酒精，以完全浸沒矽片；浸泡10-30分鐘後將矽片拿出，在空氣中風乾；b、取純鋅粉和六水氯化鈷粉末，以1∶1～1∶2的重量比混合；混合粉末在研缽中研磨，達到均勻混合，作為原料備用；c、將管式爐，升溫到780-810℃，並在整個操作中持續保持這個溫度；當管式爐溫度達到780-810℃後，在管式爐中石英管的一端接入氬氣和氧氣混合氣體；氬氣的流量控制在180-220sccm範圍內，氧氣流量為氬氣的3-5％；d、在瓷舟的中部位置放入步驟b中準備好的原料，平鋪在瓷舟的底部，然後，將矽片的正面倒放在原料的正上方；e、通入混合氣體，在確保管式爐達到780-810℃，管內通入混合氣體10-20分鐘後，從石英管的另一埠，把載有原料的瓷舟放入石英管的中心加熱區，進行反應；30-40分鐘後取出瓷舟，得到矽片上沉積著一層淺灰色產物；f、用掃描電子顯微鏡觀察矽片上沉積的為納米陣列。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的純鋅粉純度99.9％，六水氯化鈷粉末純度99.9％，所述的酒精純度為99.5％，
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，六水氯化鈷粉末事先在150℃乾燥1-1.5小時。
全文摘要
一種製備摻鈷氧化鋅納米陣列的方法，屬於納米材料製備技術領域。工藝步驟為首先將矽片用金剛石刀裁剪成片，放到培養皿中；取純鋅粉和氯化鈷粉末以1∶1至1∶2的重量比混合；在管式爐中反應，得到矽片上沉積上一層淺灰色的產物；用掃描電子顯微鏡觀察矽片上沉積的為納米陣列。本發明的優點在於製備方法簡單，成本低，可控可靠性高。製備溫度較低，整個製備過程不需要任何催化劑作用。優點在於，所做出的一維摻鈷氧化鋅納米陣列，表面平滑，生長均勻，可作為場發射性能應用及低溫磁學器件應用的理想材料。
文檔編號C23C14/08GK101033547SQ200710065219
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月6日 優先權日2007年4月6日
發明者張躍, 張曉梅, 顧有松, 黃運華 申請人:北京科技大學