專利名稱：一種制備錳摻雜氮化鎵納米材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種簡單的制備高純錳摻雜氮化鎵納米材料的方法。
背景技術(shù)：
自1932年，美國Chicago大學(xué)的研究者用金屬鎵作原料，與氨氣反應(yīng)，在900 1000°c的溫度條件下，首次合成了 GaN材料。最早GaN的納米材料研究是零維的納米顆?；蚴橇孔狱c(diǎn)的相關(guān)報(bào)道。隨后人們利用模板制備了許多一維和準(zhǔn)一維納米材料。隨著制備方法的發(fā)展，研究人員成功利用無模板在開放空間中直接合成GaN低維納米材料，這開始了 GaN納米材料研究里程的重要一步。然而隨著GaN的納米材料科學(xué)的不斷發(fā)展，有關(guān)GaN 不同結(jié)構(gòu)的納米材料制備和性質(zhì)的研究并不是很多，研究中人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)氮化鎵具有很多優(yōu)異的性能。III族金屬氮化物主要是指氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)和氮化銦QnN)，具有良好的熱傳導(dǎo)性和較強(qiáng)的抗腐蝕性，可以在更惡劣的環(huán)境下工作。它們是制作紅、黃、綠，特別是藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)、大功率晶體管的理想材料，在可見光源和紫外光源領(lǐng)域、制造高溫電子器件和短波發(fā)光器方面有廣闊的應(yīng)用前景。GaN的寬直接帶隙為 3.如V，他具有電子漂移飽和速度高、介電系數(shù)小和好的導(dǎo)熱性等性能，因此是良好的半導(dǎo)體材料。隨著人們研究的深入，發(fā)現(xiàn)了 GaN的具有多種不同的發(fā)光機(jī)制，如帶間躍遷發(fā)光、 帶邊躍遷發(fā)光、激子復(fù)合發(fā)光和雜質(zhì)或缺陷能級(jí)躍遷引起的發(fā)光等。基于GaN的優(yōu)良的發(fā)光特性，它可以用于制作高效率藍(lán)綠光發(fā)光半導(dǎo)體材料，是制作藍(lán)、綠發(fā)光二極管(LED)，激光二極管(LD)和高溫大功率集成電路的理想材料的發(fā)光器件。同時(shí)，GaN基器在合成高溫氣敏傳感器材料、高密度信息存儲(chǔ)、高速激光打印、紫外探測器和抗輻射、高頻、高溫或高壓等極端條件下使用的高速微波器件、電荷耦合器件，光電子器件通訊和高密度集成電路等方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。2000年，Dietl等人利用理論的方法，即Zener模型預(yù)測了 Mn 離子摻雜的P型GaN、ZnO所得到的居里溫度(Tc)超過室溫的鐵磁性，以寬禁帶III-V族半導(dǎo)體為基體的稀磁半導(dǎo)體成為了研究熱門之一。目前人們通過不同的方法和手段制備GaN 的報(bào)道不多，而利用直流電弧等離子體法制備錳摻雜氮化鎵納米材料至今還沒有報(bào)道過。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，設(shè)計(jì)出一種制備錳摻雜氮化鎵納米材料的方法，不僅方法簡單，重復(fù)性好，成本低，無催化，無模板，還對環(huán)境友好，并且生長出的錳摻雜氮化鎵納米材料產(chǎn)量高、純度高，有較好的應(yīng)用前景。本發(fā)明的錳摻雜氮化鎵納米材料的制備方法，是采用實(shí)驗(yàn)室自制的直流電弧放電裝置，裝置具體可參見說明書附圖中圖1，在高溫低壓系統(tǒng)條件下，使金屬錳和氧化鎵混合塊直接與氮?dú)夂桶睔獾幕旌蠚怏w發(fā)生反應(yīng)，制備出淡黃色的納米顆粒樣品。本發(fā)明的錳摻雜氮化鎵納米材料的制備過程，是以金屬錳、氧化鎵、氮?dú)夂桶睔鉃樵希辉谥绷麟娀》烹娧b置的反應(yīng)室中，中空的銅鍋為陽極，鎢棒為陰極；首先將金屬錳和氧化鎵混合壓塊，其中，金屬錳與氧化鎵的質(zhì)量比為0. 1 1 1，混合壓塊放入銅鍋內(nèi)，反應(yīng)室抽真空使氣壓小于5Pa，通入氮?dú)夂桶睔獾幕旌蠚怏w，使反應(yīng)總氣壓為20 40kPa，其中氨氣在混合氣體中的體積比例為20 50% ；再在銅鍋里通入循環(huán)水，在電壓為15 25V， 電流為80 120A條件下放電持續(xù)時(shí)間5 30分鐘；放電結(jié)束冷卻后打開反應(yīng)室，在銅鍋和鎢棒上沉積的淡黃色粉末即為錳摻雜氮化鎵納米材料。在上述的原料中，金屬錳的質(zhì)量純度最好為99. 99%，氮?dú)獾捏w積純度最好為 99. 999%，氨氣的體積純度最好為99. 999%。在制備過程中銅鍋陽極中通入循環(huán)水，能在反應(yīng)結(jié)束后使銅鍋里的溫度迅速下降，達(dá)到淬火的效果。鎢陰極可以是棒狀的，直徑可以3 8mm。本發(fā)明的有益效果在于，對于錳摻雜氮化鎵納米材料，納米顆粒產(chǎn)量高、純度高， 直徑為5-200nm，通過調(diào)節(jié)氨氣在混合氣體中的比例可以可控的獲得不同錳含量的錳摻雜氮化鎵納米顆粒。制備方法中，所使用的原料是較為廉價(jià)的氧化鎵、金屬錳、氮?dú)夂桶睔?，且制備時(shí)間短，成本低；由于無催化，無模板，所以對環(huán)境友好；而且方法簡單，重復(fù)性好。


圖1是本發(fā)明直流電弧放電裝置結(jié)構(gòu)圖。圖2是實(shí)施例2的錳摻雜氮化鎵納米材料放大20000倍的SEM圖片。圖3是實(shí)施例2的錳摻雜氮化鎵納米材料放大5000倍的SEM圖片。圖4是實(shí)施例2的錳摻雜氮化鎵納米材料的TEM圖。圖5是實(shí)施例2的錳摻雜氮化鎵納米材料的TEM高分辨圖。圖6是實(shí)施例2的錳摻雜氮化鎵納米材料的EDX圖。Ga含量77 %，Mn含量23 %。圖7是實(shí)施例2的錳摻雜氮化鎵納米材料的磁滯回線圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1直流電弧放電裝置結(jié)構(gòu)圖結(jié)合圖1說明本發(fā)明制備錳摻雜氮化鎵納米材料的直流電弧裝置結(jié)構(gòu)。1為直流電弧裝置外玻璃罩，2為冷卻壁，3為由鎢棒構(gòu)成的陰極，4為由銅鍋構(gòu)成的陽極，在銅鍋中為反應(yīng)初始原料，中空的銅鍋中能通入冷卻水，5為進(jìn)水口，6為出水口，7為進(jìn)氣口，8為出氣口。在銅鍋中通入冷卻水為制備納米材料的關(guān)鍵，放電時(shí)銅鍋里產(chǎn)生高溫，放電停止后，由于冷區(qū)水的作用使銅鍋里的溫度迅速下降，從而得到納米結(jié)構(gòu)，達(dá)到淬火的效果。所以在放電前打開進(jìn)水口通入冷水，直至放電結(jié)束后銅鍋溫度冷卻到室溫為止。實(shí)施例2制備錳摻雜氮化鎵納米材料的全過程。將高純的錳(99. 99% )，氧化鎵，按照質(zhì)量比為0. 3 1的比例放入混料機(jī)中混合均勻。取出IOg的混合粉，使用壓片機(jī)壓塊，壓成直徑為lcm，高為2cm的圓柱體。將壓成的混合塊放入直流電弧放電裝置的反應(yīng)室中陽極中。電弧放電裝置的陽極為銅鍋，陰極為直徑為3mm的鎢電極，陽極通入循環(huán)冷卻水。將直流電弧放電裝置的反應(yīng)室抽成真空(小于5pa)，通入的高純氮?dú)夂桶睔庾鳛榉磻?yīng)氣體，反應(yīng)總氣壓為30kPa，氨氣在混合氣體中的體積比例為30%。電壓為25V，電流為120A。放電持續(xù)時(shí)間大約5分鐘后，在陽極銅鍋和鎢棒上收集到淡黃色的粉末為錳摻雜氮化鎵納米材料。從圖2和圖4可以看出納米顆粒的直徑為20 200nm。從圖3樣品的掃描電鏡照片可以看出，樣品的產(chǎn)量是很高的。另外圖6的EDX分析表明，納米顆粒的主要成分是( ， Mn和N，( 含量77%，Mn含量23%。進(jìn)一步表明了樣品的高純度。圖7給出錳摻雜氮化鎵納米材料的磁滯回線，說明利用直流電弧等離子體法制備出錳摻雜氮化鎵納米材料在室溫下具有鐵磁性，為制備稀磁半導(dǎo)體納米材料提供了一種新手段。實(shí)施例3制備錳摻雜氮化鎵納米材料的全過程。將高純的錳(99. 99% )，氧化鎵，按照質(zhì)量比為0. 5 1的比例放入混料機(jī)中混合均勻。取出IOg的混合粉，使用壓片機(jī)壓塊，壓成直徑為lcm，高為2cm的圓柱體。將壓成的混合塊放入直流電弧放電裝置的反應(yīng)室中陽極中。電弧放電裝置的陽極為銅鍋，陰極為直徑為5mm的鎢電極，陽極通入循環(huán)冷卻水。將直流電弧放電裝置的反應(yīng)室抽成真空(小于5pa)，通入的高純氮?dú)夂桶睔庾鳛榉磻?yīng)氣體，反應(yīng)總氣壓為35kPa，氨氣在混合氣體中的體積比例為40%。電壓為20V，電流為100A。放電持續(xù)時(shí)間大約10分鐘后，在陽極銅鍋和鎢棒上收集到淡黃色的粉末為錳摻雜氮化鎵納米材料。實(shí)施例4制備制備錳摻雜氮化鎵納米材料的全過程。將高純的錳(99. 99% )，氧化鎵，按照質(zhì)量比為1 1的比例放入混料機(jī)中混合均勻。取出IOg的混合粉，使用壓片機(jī)壓塊，壓成直徑為lcm，高為2cm的圓柱體。將壓成的混合塊放入直流電弧放電裝置的反應(yīng)室中陽極中。電弧放電裝置的陽極為銅鍋，陰極為直徑為5mm的鎢電極，陽極通入循環(huán)冷卻水。將直流電弧放電裝置的反應(yīng)室抽成真空(小于 5pa)，通入的高純氮?dú)夂桶睔庾鳛榉磻?yīng)氣體，反應(yīng)總氣壓為35kPa，氨氣在混合氣體中的體積比例為50%。電壓為30V，電流為80A。放電持續(xù)時(shí)間大約15分鐘后，在陽極銅鍋和鎢棒上收集到淡黃色的粉末為錳摻雜氮化鎵納米材料。實(shí)施例5制備制備錳摻雜氮化鎵納米材料的全過程。將高純的錳(99. 99% )，氧化鎵，按照質(zhì)量比為0. 1 1的比例放入混料機(jī)中混合均勻。取出IOg的混合粉，使用壓片機(jī)壓塊，壓成直徑為lcm，高為2cm的圓柱體。將壓成的混合塊放入直流電弧放電裝置的反應(yīng)室中陽極中。電弧放電裝置的陽極為銅鍋，陰極為直徑為8mm的鎢電極，陽極通入循環(huán)冷卻水。將直流電弧放電裝置的反應(yīng)室抽成真空(小于5pa)，通入的高純氮?dú)夂桶睔庾鳛榉磻?yīng)氣體，反應(yīng)總氣壓為30kPa，氨氣在混合氣體中的體積比例為20%。電壓為20V，電流為100A。放電持續(xù)時(shí)間大約20分鐘后，在陽極銅鍋和鎢棒上收集到淡黃色的粉末為錳摻雜氮化鎵納米材料。
權(quán)利要求
1.一種制備錳摻雜氮化鎵納米材料的方法，是以金屬錳、氧化鎵、氮?dú)夂桶睔鉃樵希?在直流電弧放電裝置的反應(yīng)室中，中空的銅鍋為陽極，鎢棒為陰極；首先將金屬錳和氧化鎵混合壓塊，其中，金屬錳與氧化鎵的質(zhì)量比為0. 1 1 1，混合壓塊放入銅鍋內(nèi)，反應(yīng)室抽真空使氣壓小于5Pa，通入氮?dú)夂桶睔獾幕旌蠚怏w，使反應(yīng)總氣壓為20 40kPa，其中氨氣在混合氣體中的體積比例為20 50% ；再在銅鍋里通入循環(huán)水，在電壓為15 25V，電流為80 120A條件下放電持續(xù)時(shí)間5 30分鐘；放電結(jié)束冷卻后打開反應(yīng)室，在銅鍋和鎢棒上沉積的淡黃色粉末即為錳摻雜氮化鎵納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備錳摻雜氮化鎵納米材料的方法，其特征為，所述的原料， 金屬錳的質(zhì)量純度為99. 99%，氮?dú)獾捏w積純度為99. 999%，氨氣的體積純度為99. 999%。
全文摘要
本發(fā)明的一種制備錳摻雜氮化鎵納米材料的方法屬于納米材料制備的技術(shù)領(lǐng)域。以高純金屬錳為錳源，以氧化鎵為鎵源，以氮?dú)夂桶睔獾幕旌蠚怏w作氮源，在直流電弧放電裝置中制備。充入混合氣體，氨氣在混合氣體中的體積比例為20～50％。放電過程中通冷卻水，電壓為15～25V，電流為80～120A，反應(yīng)5～30分鐘，制得錳摻雜氮化鎵納米顆粒。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)氨氣在混合氣體中的比例可以可控的獲得不同錳含量的錳摻雜氮化鎵納米顆粒；本發(fā)明方法簡單、環(huán)保、低成本；納米顆粒制備具有產(chǎn)量高、反應(yīng)迅速、可重復(fù)性高、樣品純度高等優(yōu)點(diǎn)；制備的產(chǎn)品在發(fā)光，穩(wěn)定性，應(yīng)用上具有很大的潛力。
文檔編號(hào)C01B21/06GK102431977SQ20111026056
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者從日東, 尹廣超, 崔啟良, 徐永生, 湯順熙, 王靜姝, 類偉巍, 賈巖 申請人:吉林大學(xué)