專利名稱：一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料的可控制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種摻雜稀土元素氧化鋅 (化學(xué)式ZnO) —維納米材料的制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
—維納米材料是指二維方向上為納米尺度，另一維方向在長度上為宏觀尺度的新 型材料，包括納米線、納米棒、納米管和納米帶等。由于它們在尺度上非常小，量子效應(yīng)已經(jīng) 不能忽略，因此在物理和化學(xué)上表現(xiàn)出與對應(yīng)宏觀材料截然不同的新奇性質(zhì)，使其在光學(xué)、 電子學(xué)、電磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了美好的應(yīng)用前景，并成為納米科技的研究前 沿，因此也吸引著物理、化學(xué)、材料、生物等領(lǐng)域的專家及研究者投入一維納米材料的研究 工作中。 半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)在器件上的應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)今納米科學(xué)研究中的一個熱點。 而要實現(xiàn)這些應(yīng)用，必須要求在半導(dǎo)體納米材料的制備和摻雜的過程中能準(zhǔn)確地控制晶體 的形貌、結(jié)晶狀態(tài)、生長取向和摻雜元素的濃度等。到目前為止，這些問題依然是一個相當(dāng) 大的挑戰(zhàn)。 一般來說，純凈的半導(dǎo)體納米材料的應(yīng)用范圍有限，而通過摻雜可以非常有效地 改良其性能，拓寬它們的應(yīng)用范圍。 ZnO是其中一種非常有應(yīng)用前景的寬帶隙半導(dǎo)體材料，在室溫下，具有比較大的直 接帶隙(3.37eV)和激子結(jié)合能(60meV)。在電子束和紫外光的激發(fā)下，它的納米結(jié)構(gòu)，如 納米線、納米針、納米棒、納米帶和納米花等可以表現(xiàn)出優(yōu)異的紫外光發(fā)光性能，目前已經(jīng) 在短波激光器和LED上得到了應(yīng)用。另一方面，經(jīng)過不同的稀土離子摻雜后，它的發(fā)光特性 得到顯著修飾，可以發(fā)射特定波長而且強度很強的可見光，在平板顯示技術(shù)、半導(dǎo)體激光器 以及紅外集成光電器件等領(lǐng)域上具有重要的應(yīng)用價值。本發(fā)明所指的稀土是指化學(xué)元素周 期表中鑭系元素中的15種元素——鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪 (Eu)、禮(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu) 15個，以及第三 副族中的兩個元素——鈧(Sc)和釔(Y)共17種元素。 然而，成功制備摻雜稀土元素的ZnO—維納米結(jié)構(gòu)在目前仍然具有許多困難。造 成這方面的原因是稀土元素的離子半徑比ZnO晶格中的陽離子大得多，導(dǎo)致稀土離子和 ZnO之間很低的固溶度，或根本不固溶。 目前，稀土摻雜ZnO —維納米材料的制備方法主要包括濕化學(xué)法、熱蒸發(fā)法和離 子注入法。其中濕化學(xué)法包括水熱法、微乳液法和凝膠-溶膠法。濕化學(xué)方法在合成稀土 摻雜一維納米材料方面存在很大的問題，制備出來的晶體存在很多的缺陷和較差的結(jié)晶情 況，稀土元素更多地存在于晶粒之間的晶界或缺陷中，而這些地方恰好是發(fā)光的淬滅中心， 極大程度地降低了它的發(fā)光效率。熱蒸發(fā)法需要在很高的溫度下進行，而且由于稀土和ZnO 的蒸發(fā)產(chǎn)率不同，導(dǎo)致很難控制產(chǎn)物的組分比例。對于離子注入法，由于稀土離子經(jīng)過加速 之后具有很高的能量，在注入的過程中難以避免地對晶體造成損害，而且隨著離子注入深 度的不同，摻雜的濃度不一樣，很難達(dá)到均勻摻雜。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種摻雜 稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法；該方法利用T型激光反應(yīng)管式爐，運用脈沖激 光沉積技術(shù)，基于氣-液-固(VLS)生長機制，制備摻雜稀土元素氧化鋅一維納米結(jié)構(gòu)；該 方法操作簡單、耗時少、可工業(yè)化制備。 本發(fā)明的另一 目的在于提供上述方法制備的摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料。
本發(fā)明的再一 目的在于提供上述一維納米材料的應(yīng)用。 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種摻雜稀土元素氧化鋅(ZnO) 一維納米材料的制備方法，包括以下操作步驟 (1)將氧化鋅和稀土元素的氧化物混合，研磨，壓制，在900 120(TC的溫度下燒 結(jié)，得到摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶； (2)將鉬桿通過T型石英管的豎臂伸入T型石英管的橫臂中，將摻有稀土元素的氧
化鋅陶瓷靶置于鉬桿末端，將襯底置于T型石英管的橫臂中，所述襯底位于摻有稀土元素
的氧化鋅陶瓷靶的下方，襯底和摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶的垂直距離為20 23mm，水
平距離為2 6cm ;鉬桿由微步電動機帶動，以3 10周/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)； (3)將T型石英管抽真空(目的是排除管內(nèi)殘余氣體對制備的影響)，以20
40sccm的速度通入載流氣體，使T型石英管內(nèi)的氣壓達(dá)到400 3000Pa，然后將T型石英
管加熱至650 750°C ; (4)引入激光光束，將激光光束聚焦到摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶上，調(diào)節(jié)激 光光束的脈沖頻率，對摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶進行燒蝕濺射，濺射產(chǎn)物沉積到襯底 上； (5)濺射結(jié)束后，冷卻至室溫，襯底上形成摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料。
步驟(1)所述氧化鋅和稀土元素的氧化物以質(zhì)量比(7 10) : l進行混合；所述 稀土元素為鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩 Tm、鐿Yb、镥Lu、鈧Sc或釔Y。 步驟(2)所述T型石英管的內(nèi)徑為40 45mm，外徑為45 50mm，厚度為3 10mm。
步驟(2)所述襯底是表面鍍有一層金屬薄膜催化劑的硅片，所述金屬薄膜催化劑 為金、銀、鈀或它們的合金；所述硅片的晶體取向為〈100〉。 步驟(2)所述鉬桿是由微步電動機帶動旋轉(zhuǎn)；步驟(3)所述抽真空是采用機械泵
和渦輪分子泵進行抽真空。 步驟(3)所述載流氣體為氮氣。 步驟(4)所述激光光束是采用波長為532nm、脈寬為10ns的Nd:YAG脈沖激光器發(fā) 射；所述激光光束的脈沖頻率為1 10Hz，激光光束的能量密度為1. 6 8J/cm2。
步驟(4)所述燒蝕濺射的時間為30 60分鐘。 上述方法制備的摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料，所述摻雜稀土元素氧化鋅一 維納米材料為納米線、納米棒或納米帶。 上述的摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料可應(yīng)用于制備平板顯示器、半導(dǎo)體激光 器、紅外集成光電器件、氣敏傳感器或壓敏電阻等。
本發(fā)明的原理是用脈沖激光光束聚焦于摻有稀土的Zn0靶材上，高能激光使靶 材表面物質(zhì)熔融，形成包含有稀土離子的等離子體羽并濺射到襯底上；襯底的表面事先沉 積一層金屬催化劑，在加熱的過程中，金屬形成納米熔融顆粒，此顆粒可吸附等離子體羽中 的物質(zhì)，成為形核中心，在氣-液-固(VLS)生長機制的作用下，自發(fā)生長出摻雜稀土元素 的ZnO—維納米結(jié)構(gòu)；所得產(chǎn)物中摻雜元素來自于靶材，而且濃度與靶材的濃度基本一致， 因此可以通過耙材的化學(xué)配比來調(diào)控產(chǎn)物的摻雜濃度。 通過調(diào)節(jié)制備參數(shù)，實現(xiàn)具有不同形貌和稀土元素?fù)诫s濃度的ZnO —維納米材 料，為實現(xiàn)這些納米材料在電子加工、光學(xué)、生物學(xué)、催化化學(xué)乃至醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用提 供必要的基礎(chǔ)。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下突出優(yōu)點和有益效果 (1)易于摻雜。所制備的納米材料的成分與靶材的化學(xué)配比基本一致，因此稀土元 素的摻雜濃度可以通過調(diào)節(jié)靶材的組分比例來實現(xiàn)。 (2)可通過調(diào)節(jié)激光的參數(shù)、石英管內(nèi)真空度和通入氣體的種類以及流量來控制 所制備材料的生長，并且各工藝參數(shù)獨立可調(diào)，材料制備速度快，一維納米材料生長均勻， 可大面積生長。


圖1 (a)為本發(fā)明采用脈沖激光沉積技術(shù)制備摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料 的設(shè)備裝置圖的俯視示意圖，其中1為微步電動機，2為鉬桿，3為加熱爐，4為T型石英管， 5為載流氣體的出口，6為放置襯底的氧化鋁陶瓷片，7為襯底，8為靶材，9為載流氣體的入 口，10為激光器，11為分束片，12為聚焦鏡；圖l(b)為反應(yīng)爐部分的左視示意圖，其中1為 微步電動機，2為鉬桿，3為加熱爐，4為T型石英管，5為載流氣體的出口 ， 6為放置襯底的氧 化鋁陶瓷片。 圖2(a)為實施例1制備的摻雜稀土元素銪的氧化鋅(簡記為ZnO:Eu)納米線的 掃描電子顯微鏡照片圖；圖2(b)為實施例1制備的ZnO:Eu納米線的X射線衍射譜圖；圖 2(c) 、 (d)分別為ZnO:Eu納米線的低倍以及高分辨透射電子顯微鏡照片圖；圖2(e)為圖 2(c)所示納米線中部的電子能量耗散譜圖；圖2(f)為實施例l制備的ZnO:Eu納米線某一 區(qū)域的陰極射線致熒光光譜圖。 圖3是實施例2制備的摻雜稀土元素鏑的氧化鋅(簡記為ZnO:Dy)納米線傾斜45 度角后拍攝的掃描電子顯微鏡照片。 圖4為實施例3制備的摻雜稀土元素鋱的氧化鋅(簡記為ZnO:Tb)納米帶的掃描 電子顯微鏡照片。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。 實施例1 本實施例的裝置結(jié)構(gòu)(俯視圖如圖l(a)所示，左視圖如圖l(b)所示)為以硅 碳棒為加熱源的加熱爐3中放置一根T型石英管4 ;T型石英管4的內(nèi)徑為42mm，外徑為50mm，厚度為4mm。 T型石英管豎臂的底部伸進一根鉬桿2，鉬桿的一端由微步電動機1帶動 旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速率約為3 10周/分鐘。鉬桿的另一端伸到T型石英管橫臂的中部，并且 安裝有用于激光濺射的靶材8 ;載流氣體從進氣口 9中進入，從出氣口 5中流出，載流氣體 的流量可以通過流量計測量；T型石英管的橫臂，處于載流氣體下游的區(qū)域是反應(yīng)的部位， 在此處放置氧化鋁陶瓷片6，再在陶瓷片6上放置生長納米材料的襯底7 ;將激光光束導(dǎo)入 聚焦到耙材8上；激光光束用激光器10，即Nd:YAG脈沖激光器發(fā)射，其激光波長532nm，脈 寬10ns，脈沖頻率為1 10Hz，能量密度為1. 6 8J/cm2。在激光器10與靶材8之間的光 路上放置分束片11用來調(diào)節(jié)入射激光的能量，放置聚焦鏡12用來對激光光束進行聚焦，聚 焦鏡12的焦距約為1000mm。
具體實施步驟如下 (1)耙材和襯底準(zhǔn)備。所用的耙材由ZnO(純度〉99% )和￡11203 (純度> 99. 9% )
粉末按照質(zhì)量比io : i制備而成將ZnO和EuA粉末按照質(zhì)量比為io : i進行混合，放
在陶瓷研缽中充分研磨；將研磨后的混合粉末填充到模具中，以4Mpa的壓力壓制，保持此 壓力IO分鐘；取出后，可以得到內(nèi)徑為6mm，外徑為15mm，厚度5mm的圓環(huán)形靶材；將此靶材 放到退火爐中，在低真空下以900°C的高溫?zé)Y(jié)3個小時，然后隨爐冷卻至室溫，將之取出， 得到所需的摻有稀土元素銪的ZnO陶瓷靶，即圓環(huán)形靶材8 ; 所用的襯底是取向為〈100〉的硅片，面積為5X5mm2 ;硅片依次用丙酮、酒精、和去 離子水在超聲振蕩器中清洗半個小時；將硅片烘干后，在它的表面噴上一層金銀合金，噴涂 的時間為2分鐘，得到襯底7。 (2)將鉬桿通過T型石英管的豎臂伸入T型石英管的橫臂中，將圓環(huán)形耙材8置于 鉬桿末端；將5片襯底每隔1厘米，依次排列在氧化鋁陶瓷片6上，打開T型石英管4的閥 門，將陶瓷片置于T型石英管的橫臂上，所述襯底位于圓環(huán)形靶材8的側(cè)下方，襯底和圓環(huán) 形靶材8的垂直距離為20mm，水平距離為2 6cm ;微步電動機帶動鉬桿旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度 為3周/分 ； (3)封閉閥門，啟動機械泵對T型石英管內(nèi)進行預(yù)抽真空；壓強低于5Pa時，再 啟動渦輪分子泵；真空度到達(dá)1X10—2Pa時，停止渦輪分子泵，向管內(nèi)通入^，氣體流量為 20sccm(標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘)；控制氣壓穩(wěn)定在400Pa時，啟用加熱爐3對石英管進行加熱，15 分鐘后T型石英管溫度由室溫加熱到預(yù)先設(shè)定的溫度650°C ;保持此溫度7分鐘，目的是對 襯底進行熱處理，去掉表面的有機物和氧化物等。 (4)調(diào)節(jié)光路，將激光光束對準(zhǔn)和聚焦到圓環(huán)形靶材8上；所用的分束片11的光 透過率例為50X;啟動Nd:YAG脈沖激光器10燒蝕濺射圓環(huán)形耙材8 ;激光的燒蝕作用使得 圓環(huán)形靶材在燒蝕點產(chǎn)生羽輝，羽輝中的物質(zhì)沉積到襯底7上；脈沖激光的頻率是5Hz，能 量密度約為4J/cm2 ;40分鐘后關(guān)閉激光和K，停止加熱，讓石英管自然冷卻到室溫。
(5)室溫下取出襯底，可以發(fā)現(xiàn)在襯底的表面有一層灰黑色的物質(zhì)生成，為 ZnO:Eu納米線。 圖2(a)為本實施例制備出的摻雜稀土元素銪的ZnO(ZnO:Eu)納米線材料的掃描 電子顯微鏡照片。由圖可見，納米線的直徑在30 40nm之間，從根部向尖端方向逐漸變小； 長度在幾百納米之間。 圖2 (b)為本實施例制備的ZnO:Eu納米線的X射線衍射分析圖譜。根據(jù)X射線衍射分析的結(jié)果，可以確認(rèn)制得的納米線具有和ZnO相同的晶體結(jié)構(gòu)，即纖鋅礦結(jié)構(gòu)。然而， 值得注意的是，相對于純凈Zn0的X射線衍射的標(biāo)準(zhǔn)圖譜，圖中ZnO:Eu的衍射峰稍微向小 角度的方向移動，揭示了因為半徑較大的Eu離子摻入Zn0晶格后導(dǎo)致的晶格膨脹。
圖2 (c) 、 (d)分別是本實施例制備的ZnO:Eu納米線的低倍和高分辨透射電子顯微 鏡照片。照片清楚地顯示了在納米線頂端的金銀合金小球，證明了納米線是通過氣-液-固 機制生長的。對高分辨透射電子顯微鏡照片進行分析可知，Zn0: Eu納米線具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，
并且生長方向為[10i0]。而通常其他方法制備出的ZnO納米線都是c軸，S卩
取向的，
因此本發(fā)明同時提供了一種可以控制摻雜稀土元素的Zn0納米線的生長取向的方法。
圖2是(e)是對納米線中部的電子能量耗散譜分析。結(jié)果顯示Eu的含量為0. 51% (原子百分比)。實際上，在排除碳(C)和銅(Cu)元素(來自于銅網(wǎng)的銅和碳膜)的信號 后，含量可能更高。 圖2(f)是本實施例制備的ZnO:Eu納米線某一區(qū)域的陰極射線致熒光光譜。對 圖譜分析可知，在電子束的激發(fā)下，可以觀測到Eu"離子5D。 一 7F2躍遷的發(fā)光峰，對應(yīng)于 609nm。 實施例2 本實施例所用的裝置與實施例1所述的相同。 (1)靶材和襯底準(zhǔn)備。所用的靶材由ZnO(純度〉99% )和0^03(純度> 99. 9% )
粉末按照質(zhì)量比9 : l制備而成；靶材的制備過程與實施例l所述的過程類似，壓制壓力為
6Mpa，燒結(jié)溫度為IOO(TC，時間3小時；所得的摻有稀土元素Dy的ZnO陶瓷靶，即圓環(huán)形靶 材； 所用的襯底是取向為〈100〉的硅片，面積為5X5mm2 ;在清洗之前，首先對硅片進 行打磨處理；處理后的硅片先用鹽酸浸泡24小時，然后依次用去離子水、丙酮、酒精和去離 子水在超聲中清洗30分鐘；干燥后，噴上一層金鈀合金，噴涂時間為1分鐘，得到所用的襯 底。 (2)將鉬桿通過T型石英管的豎臂伸入T型石英管的橫臂中，將圓環(huán)形耙材8置于 鉬桿末端；將4片襯底每隔1厘米，依次排列在氧化鋁陶瓷片6上，打開T型石英管4的閥 門，將陶瓷片置于T型石英管的橫臂上，所述襯底位于圓環(huán)形靶材8的側(cè)下方，襯底和圓環(huán) 形靶材8的垂直距離為23mm，水平距離為3 6cm ;微步電動機帶動鉬桿旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度 為10周/分鐘； (3)封閉閥門，啟動機械泵對T型石英管內(nèi)進行預(yù)抽真空；壓強低于5Pa時，再啟 動渦輪分子泵；真空度到達(dá)9. 7X 10—3Pa時，停止渦輪分子泵，向管內(nèi)通入N2，氣體流量為 40sccm(標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘)；控制氣壓穩(wěn)定在1000Pa時，啟用加熱爐3對石英管進行加熱， 9分鐘后T型石英管溫度由室溫加熱到預(yù)先設(shè)定的溫度750°C ;保持此溫度4分鐘，目的是 對襯底進行熱處理，去掉表面的有機物和氧化物等。 (4)調(diào)節(jié)光路，將激光光束對準(zhǔn)和聚焦到圓環(huán)形靶材8上；所用的分束片11的光 透過率例為50X;啟動Nd:YAG脈沖激光器10燒蝕濺射圓環(huán)形耙材8 ;激光的燒蝕作用使得 圓環(huán)形靶材在燒蝕點產(chǎn)生羽輝，羽輝中的物質(zhì)沉積到襯底7上；脈沖激光的頻率是3Hz，能 量密度約為1. 6J/cm2 ;60分鐘后關(guān)閉激光和K，停止加熱，讓石英管自然冷卻到室溫。
(5)在室溫下取出襯底，襯底的表面為ZnO:Dy納米線。
經(jīng)過掃描電子顯微鏡觀察，如附圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)ZnO:Dy納米線密集地生長在 襯底上，并且，很大一部分與襯底垂直。
實施例3 本實施例的裝置包括了激光器10、聚焦鏡12、圓環(huán)形靶材8、T型石英管4、加熱爐 3、微步電動機1、鉬桿2。其中9為氣體的入口、5為氣體的出口、7為襯底、6為放置襯底的 氧化鋁陶瓷片。本實施例相對實施例1來說，去除了分束片11。 (1)靶材和襯底準(zhǔn)備。本實施例所用的靶材由ZnO(純度> 99% )和Tb203(純度 > 99. 9% )粉末按照質(zhì)量比7 : 1制備而成。其制備過程與實施例1的第(1)步類似。壓 制的壓力為5Mpa，燒結(jié)溫度為1200°C，時間3小時；所制備的ZnO:Tb圓環(huán)形靶材的內(nèi)徑為 6mm，外徑為15mm，厚約10mm ; 所用的襯底是取向為〈100〉的硅片，面積為5X5mm2 ;硅片依次用丙酮、酒精、和去 離子水在超聲中清洗半個小時；將硅片烘干后，在它的表面噴上一層金銀合金，噴涂的時間 為l分鐘。 (2)將鉬桿通過T型石英管的豎臂伸入T型石英管的橫臂中，將圓環(huán)形耙材8置于 鉬桿末端；將4片襯底每隔1厘米，依次排列在氧化鋁陶瓷片6上，打開T型石英管4的閥 門，將陶瓷片置于T型石英管的橫臂上，所述襯底位于圓環(huán)形靶材8的側(cè)下方，襯底和圓環(huán) 形靶材8的垂直距離為21mm，水平距離為3 6cm ;微步電動機帶動鉬桿旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度 為8周/分鐘； (3)封閉閥門，啟動機械泵對T型石英管內(nèi)進行預(yù)抽真空；壓強低于5Pa時，再啟 動渦輪分子泵；真空度到達(dá)8. 6X 10—3Pa時，停止渦輪分子泵，向管內(nèi)通入N2，氣體流量為 30sccm(標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘)；控制氣壓穩(wěn)定在3000Pa時，啟用加熱爐3對石英管進行加熱， 9分鐘后T型石英管溫度由室溫加熱到預(yù)先設(shè)定的溫度700°C ;保持此溫度7分鐘，目的是 對襯底進行熱處理，去掉表面的有機物和氧化物等。 (4)調(diào)節(jié)光路，將激光光束經(jīng)過聚焦鏡12聚焦到圓環(huán)形靶材8上；啟動Nd: YAG脈 沖激光器10燒蝕濺射圓環(huán)形靶材8 ;激光的燒蝕作用使得圓環(huán)形靶材在燒蝕點產(chǎn)生羽輝， 羽輝中的物質(zhì)沉積到襯底7上；脈沖激光的頻率是3Hz，能量密度約為8J/cm2 ;50分鐘后關(guān) 閉激光和N2，停止加熱，讓石英管自然冷卻到室溫。
(5)在室溫下取出襯底，襯底的表面為ZnO:Tb納米線。 圖3是本實施例制備的摻雜稀土元素鋱的ZnO(ZnO:Tb)納米材料的掃描電子顯微 鏡照片，可以看到納米帶和納米線夾雜分布在襯底上。納米帶的寬度為80 120nm，厚度為 30 50nm，長度可達(dá)到1微米以上。 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法，其特征在于包括以下操作步驟(1)將氧化鋅和稀土元素的氧化物混合，研磨，壓制，在900～1200℃的溫度下燒結(jié)，得到摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶；(2)將鉬桿通過T型石英管的豎臂伸入T型石英管的橫臂中，將摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶置于鉬桿下端，將襯底置于T型石英管的橫臂中，所述襯底位于摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶的側(cè)下方，襯底和摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶的垂直距離為20～23mm，水平距離為2～6cm；鉬桿以3～10周/分鐘的速度旋轉(zhuǎn)；(3)將T型石英管抽真空，以20～40sccm的速度通入載流氣體，使T型石英管內(nèi)的氣壓達(dá)到400～3000Pa，然后將T型石英管加熱至650～750℃；(4)引入激光光束，將激光光束聚焦到摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶上，調(diào)節(jié)激光光束的脈沖頻率，對摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶進行燒蝕濺射，濺射產(chǎn)物沉積到襯底上；(5)濺射結(jié)束后，冷卻至室溫，襯底上形成摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法，其特征 在于步驟(1)所述氧化鋅和稀土元素的氧化物以質(zhì)量比(7 10) : 1進行混合；所述稀 土元素為鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、禮、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧或釔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法，其特征 在于步驟(2)所述T型石英管的內(nèi)徑為40 45mm，外徑為45 50mm，厚度為3 10mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法，其特征 在于步驟(2)所述襯底是表面鍍有一層金屬薄膜催化劑的硅片，所述金屬薄膜催化劑為 金、銀、鈀或它們的合金；所述硅片的晶體取向為〈100〉。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法，其特征 在于步驟(2)所述鉬桿是由微步電動機帶動旋轉(zhuǎn)；步驟(3)所述抽真空是采用機械泵和 渦輪分子泵進行抽真空。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法，其特征在于步驟(3)所述載流氣體為氮氣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法，其特征 在于步驟(4)所述激光光束是采用波長為532nm、脈寬為10ns的Nd: YAG脈沖激光器發(fā)射； 所述激光光束的脈沖頻率為1 10Hz，激光光束的能量密度為1. 6 8J/cm2。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法，其特征 在于步驟(4)所述燒蝕濺射的時間為30 60分鐘。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1 8任一項所述方法制備的摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料，其 特征在于所述摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料為納米線、納米棒或納米帶。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料應(yīng)用于制備平板顯示 器、半導(dǎo)體激光器、紅外集成光電器件、氣敏傳感器或壓敏電阻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料的制備方法。該方法包括步驟將氧化鋅和稀土元素的氧化物混合，研磨，壓制，燒結(jié)，得到氧化鋅陶瓷靶；將氧化鋅陶瓷靶置于T型石英管中的鉬桿上，將襯底置于氧化鋅陶瓷靶的側(cè)下方，鉬桿旋轉(zhuǎn)；將T型石英管抽真空，通入載流氣體，氣壓達(dá)到400～3000Pa，加熱至650～750℃；引入激光光束，將激光光束聚焦到摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶上，調(diào)節(jié)激光光束的脈沖頻率，對摻有稀土元素的氧化鋅陶瓷靶進行燒蝕濺射，濺射產(chǎn)物沉積到襯底上；濺射結(jié)束后，冷卻至室溫，襯底上形成摻雜稀土元素氧化鋅一維納米材料。本發(fā)明方法操作簡單、耗時少、易于摻雜，可以大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號C01G9/02GK101786653SQ20101011816
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者朱宏干, 楊國偉, 楊玉華 申請人:中山大學(xué)