專利名稱：一種在氧化鋅納米柱中實(shí)現(xiàn)鈷摻雜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于準(zhǔn)一維納米材料和納米技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在氧化鋅納米柱中 實(shí)現(xiàn)鈷摻雜的方法，在氧化鋅納米材料中實(shí)現(xiàn)了磁性元素鈷摻雜。
技術(shù)背景寬禁帶半導(dǎo)體氧化鋅(ZnO)具有優(yōu)良的壓電、光電、氣敏等性質(zhì)，主要應(yīng)用 于發(fā)光元件、光波導(dǎo)器件、場發(fā)射顯示器件、表面聲波元件以及低壓壓敏電阻器件 等。在半導(dǎo)體材料中進(jìn)行摻雜可以有效地改善材料本身的性能，目前在ZnO中摻雜 入Co離子形成的ZnnC(^0稀磁半導(dǎo)體由于具有良好的室溫鐵磁性能而成為研究的熱 點(diǎn)。已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)工作制備出室溫鐵磁性的ZnkC"O，如Yin等采用磁控濺射方法制 備出Zn^(XO薄膜，在室溫條件下觀察到了明顯的磁滯回線[Zhigang Yin, Nuofo Chen, Chunlin Chai, Fei Yang, J. Appl. Phys. 96 (2004) 5093]。 Belghazi等采用溶膠一 凝膠法制備了Co摻雜ZnO薄膜，磁性測量的結(jié)果證實(shí)了室溫鐵磁性的存在[Y. Belghazi， G. Schmerber， S. Colis, J. L. Rehspringer， A. Dinia, A. Berrada， Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 122504]。準(zhǔn)一維Zn^O^O納米結(jié)構(gòu)由于具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能以 及它們在納電子器件方面潛在的應(yīng)用前景而引起了研究者們的廣泛關(guān)注。Chen等采 用脈沖激光沉積方法合成了室溫鐵磁性的Zm《Cc^O納米針陣列[J. J. Chen, M. H. Yu, W. L. Zhou， K. Sun， L. M. Wang, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 173119]。 Cui等采用電化 學(xué)沉積方法制備出居里溫度高于室溫的Zn^CoxO納米線[Jingbiao Cui, Qi Zeng， Ursula J. Gibson, J. Appl, Phys. 99 (2006) 08M113]。 Wu等采用蒸發(fā)有機(jī)金屬化合物的 方法制備出Zn^CO;cO納米陣列[Jih-Jen Wu, Sai-Chang Liu， Ming-Hsun Yang, Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 1027]。但是，己有的制備方法設(shè)備昂貴，工藝條件復(fù)雜，操作 水平要求較高。因此，研究一種成本低、可控制、易操作的Zr^Co"納米結(jié)構(gòu)的制 備方法具有重要的意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明采用非常簡單的氣相沉積方法制備 出Zn^C 0納米柱，并且獲得的納米柱具有室溫鐵磁性。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種在氧化鋅納米柱中實(shí)現(xiàn)鈷摻雜的方法，采用氣相沉積 制備Co摻雜ZnO納米柱；實(shí)現(xiàn)了成本低廉、操作簡單。
本發(fā)明在常壓下進(jìn)行，不需要任何真空設(shè)備。在ZnO納米柱的制備過程中實(shí)現(xiàn) 了磁性元素Co的原位摻雜，其中Co以置換Zn位置的方式形成Zn^CoxO固溶 體，Co的摻雜含量為2 5at^。納米柱在室溫條件下具有鐵磁性。 本發(fā)明提供的技術(shù)方案是1) 將Zn和CoCl2相鄰放置在瓷舟中作為蒸發(fā)源，用單晶硅片作為接收襯底放 置在距離蒸發(fā)源4 6 mm的正上方。2) 將瓷舟置于管式爐中，充入100 200 ml/min的氬氣，5 7 min后將氬氣的 流量保持在55 60ml/min，系統(tǒng)壓強(qiáng)為大氣壓狀態(tài)。3) 將管式爐加熱至800 820'C并保溫80 120min，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)， 通入5 10ml/min的空氣10 20min，然后關(guān)閉空氣的閥門。4) 當(dāng)管式爐的溫度隨爐冷卻至室溫時(shí)，將樣品取出，硅片表面的綠色沉積物 即為Co摻雜ZnO納米柱。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明明顯的優(yōu)勢在于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在常壓下進(jìn)行，不需要任何真空設(shè)備，這 樣可以簡化操作過程，降低實(shí)驗(yàn)成本。另外，本發(fā)明的制備方法由于簡單易行，也 容易普及和批量化生產(chǎn)。本發(fā)明可以在ZnO納米柱中實(shí)現(xiàn)磁性元素Co的原位摻雜，產(chǎn)物為單相固溶 體，并不形成磁性夾雜相。本發(fā)明可以通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件控制磁性元素Co的摻雜含量來調(diào)控Zn^OM3納 米柱的磁學(xué)性能和居里溫度。本發(fā)明獲得的Zn^CoxO納米柱純度高、產(chǎn)率大，而且具有室溫鐵磁性，從而 為自旋電子器件的實(shí)用化提供了材料基礎(chǔ)。


圖l本發(fā)明所制備出的產(chǎn)物的掃描電鏡圖譜，硅片表面均勻覆蓋有一層zni_"C(^0納米柱。圖2產(chǎn)物的X射線衍射圖譜，除了硅襯底的峰以外，其它衍射峰均與ZnO的 衍射峰相匹配，表明產(chǎn)物為單相六方纖維鋅礦結(jié)構(gòu)，即Co的摻雜并沒有改變ZnO 的相結(jié)構(gòu)。圖3產(chǎn)物的能譜圖，Co的摻雜含量為4.5at^。圖4室溫條件下產(chǎn)物的M-7/曲線，表明產(chǎn)物在室溫下具有鐵磁性。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l1) 將Zn和CoCl2相鄰放置在瓷舟中作為蒸發(fā)源，用單晶硅片作為接收襯底放 置在距離蒸發(fā)源4 mm的正上方。2) 將瓷舟置于管式爐中，充入100ml/min的氬氣，7 min后將氬氣的流量保持 在55ml/min，系統(tǒng)壓強(qiáng)為大氣壓狀態(tài)。3) 將管式爐熱至800'C并保溫120 min，當(dāng)溫度達(dá)到800'C時(shí)，通入5 ml/min 的空氣20min，然后關(guān)閉空氣的閥門。4) 當(dāng)管式爐的溫度隨爐冷卻至室溫時(shí)，將樣品取出，硅片表面的綠色沉積物 即為Co摻雜ZnO納米柱。實(shí)施例21) 將Zn和CoCl2相鄰放置在瓷舟中作為蒸發(fā)源，用單晶硅片作為接收襯底放 置在距離蒸發(fā)源5 mm的正上方。2) 將瓷舟置于管式爐中，充入150ml/min的氬氣，6 min后將氬氣的流量保持 在60 ml/min，系統(tǒng)壓強(qiáng)為大氣壓狀態(tài)。3) 將管式爐熱至810'C并保溫100 min，當(dāng)溫度達(dá)到810'C時(shí)，通入8 ml/min 的空氣15min，然后關(guān)閉空氣的閥門。4) 當(dāng)管式爐的溫度隨爐冷卻至室溫時(shí)，將樣品取出，硅片表面的綠色沉積物 即為Co摻雜ZnO納米柱。實(shí)施例31) 將Zn和CoCl2相鄰放置在瓷舟中作為蒸發(fā)源，用單晶硅片作為接收襯底放 置在距離蒸發(fā)源6 mm的正上方。2) 將瓷舟置于管式爐中，充入200 ml/min的氬氣，5 min后將氬氣的流量保持 在55ml/min,系統(tǒng)壓強(qiáng)為大氣壓狀態(tài)。3) 將管式爐熱至820'C并保溫80 min，當(dāng)溫度達(dá)到820'C時(shí)，通入10 ml/min 的空氣10min，然后關(guān)閉空氣的閥門。4) 當(dāng)當(dāng)管式爐的溫度隨爐冷卻至室溫時(shí)，將樣品取出，硅片表面的綠色沉積 物即為Co摻雜ZnO納米柱。
權(quán)利要求
1、一種在氧化鋅納米柱中實(shí)現(xiàn)鈷摻雜的方法，其特征在于，工藝為1)將Zn和CoCl2相鄰放置在瓷舟中作為蒸發(fā)源，用單晶硅片作為接收襯底放置在距離蒸發(fā)源4～6mm的正上方；2)將瓷舟置于管式爐中，充入100～200ml/min的氬氣，5～7min后將氬氣的流量保持在55～60ml/min，系統(tǒng)壓強(qiáng)為大氣壓狀態(tài)；3)將管式爐加熱至800～820℃并保溫80～120min，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，通入5～10ml/min的空氣10～20min，然后關(guān)閉空氣的閥門；4)當(dāng)管式爐的溫度隨爐冷卻至室溫時(shí)，將樣品取出，硅片表面的綠色沉積物為Co摻雜ZnO納米柱。
全文摘要
一種在氧化鋅納米柱中實(shí)現(xiàn)鈷摻雜的方法，屬于準(zhǔn)一維納米材料和納米技術(shù)領(lǐng)域。工藝為將Zn和CoCl₂相鄰放置在瓷舟中作為蒸發(fā)源，用單晶硅片作為接收襯底放置在距離蒸發(fā)源4～6mm的正上方；將瓷舟置于管式爐中，充入100～200ml/min的氬氣，5～7min后將氬氣的流量保持在55～60ml/min，系統(tǒng)壓強(qiáng)為大氣壓狀態(tài)；將管式爐加熱至800～820℃并保溫80～120min，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，通入5～10ml/min的空氣10～20min，然后關(guān)閉空氣的閥門；隨爐冷卻至室溫，將樣品取出，硅片表面的綠色沉積物為Co摻雜ZnO納米柱。優(yōu)點(diǎn)在于，獲得的Zn_1-xCo_xO納米柱純度高、產(chǎn)率大，而且具有室溫鐵磁性，為自旋電子器件的實(shí)用化提供了材料基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)C23C14/24GK101153381SQ200710121209
公開日2008年4月2日 申請日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者多永正, 常永勤 申請人:北京科技大學(xué)