專利名稱：巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于稀磁半導(dǎo)體納米顆粒材料制備的技術(shù)領(lǐng)域，涉及采用高溫高壓這種極端條件下的方法合成Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的一種方法。
背景技術(shù)：
高溫高壓合成法是指用六面頂壓機(jī)等高溫高壓設(shè)備合成材料的方法。這種方法提供了除傳統(tǒng)制備材料所關(guān)注的制備溫度、元素的配比之外的壓力的參數(shù)，這對材料的制備與選擇都起到了非常積極的作用。在材料的制備的過程中，制備的溫度和壓力是兩個非常重要的工藝參數(shù)，它們在制備的過程中起著非常重要的作用。溫度決定著反應(yīng)的能否進(jìn)行，而壓力則可以改變物質(zhì)內(nèi)部原子間的距離、原子的電子結(jié)構(gòu)等。高溫高壓合成法是合成新材料、改變材料的結(jié)構(gòu)和性能的極為有效的方法。在所有稀磁半導(dǎo)體納米材料之中，硫化鎘納米材料在太陽能轉(zhuǎn)換、非線性光學(xué)、光電子化工細(xì)胞和光催化等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。目前對于Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米材料在高壓下的物理特性研究還很少。高壓作為研究物質(zhì)相變機(jī)制的一種新穎手段，能夠使得物質(zhì)在極端條件下具有新的結(jié)構(gòu)和性能。通過對Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒在極端條件下所獲得的新結(jié)構(gòu)、新現(xiàn)象、新規(guī)律，探討Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的宏觀性質(zhì)的變化與他們的微觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在關(guān)系。當(dāng)Co雜質(zhì)增加時，被摻雜的納米晶體兼具有鐵磁性質(zhì)及半導(dǎo)體性質(zhì)，相比于主體材料具有更加巨大的應(yīng)用遠(yuǎn)景。有關(guān)綜述文獻(xiàn)(I)Kashinath A. Bogle ；Saurabh Ghosh ；Sanjay D. Dhole ；Vasant N. Bhoraskar ;Lian_fengFu ;Miao_fang Chi ；Nigel D.Browning ；Darshan Kundaliya ；Gour P. Das ；SatishchandraB. Ogale ;CHEM. MATER，2008，20，440-446 ; (2) Zutic，I. ;Fabian，J. ；Sarma, S. D. REV. MOD.PHYS. 2004，76，323 ； (3)MacDonald，A. H. ；Schiffer, P. ；Samarth, N. NAT. MATER. 2005，4，195 ; (4) Fe I tin，N，；Levy, L. ; Ingert，D. ;Pileni，M. P. AdV. Mater. 1999，11，398 ； (5)Hanif，Κ. M. ；Meulenberg, R. W. ；Strouse, G. F. J. Am. Chem. Soc. 2002，124，11495.關(guān)于Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的報(bào)道還很少，關(guān)于Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的制備方法和鐵磁性研究都僅局限于纖鋅礦結(jié)構(gòu)或閃鋅礦結(jié)構(gòu)，對于巖鹽礦Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體材料的高溫高壓制備方法目前尚無報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，在極端條件下將閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)閹r鹽礦結(jié)構(gòu)，發(fā)生相轉(zhuǎn)變后的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒具有較明顯的鐵磁性。一種巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的制備方法，以Co含量按原子比為O. 136 O. 148%的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒為初始原料，在六面頂壓機(jī)上完成；首先將初始原料粉加壓成型，裝入反應(yīng)腔體，采用石墨管進(jìn)行旁路加熱，在壓力5. O 7. OGPa，溫度600 800°C下，保壓30 50分鐘，冷卻卸壓得到巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒。所述的冷卻卸壓，可以是先降溫到100°C以下，再進(jìn)行卸壓。本發(fā)明的原料閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒，可以應(yīng)用氣液表面無機(jī)合成方法制備。其中摻雜Co的用量按原子比分別為CdS的采用X射線能量散射譜對Co2+的精確濃度進(jìn)行分析，通過多次測量取平均值，最后指標(biāo)化得到所制備完成的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒，樣品中Co的摩爾百分比分別是 0. 1365%,0. 1441%,0. 1466%和 0. 1477%。 本發(fā)明的效果是I、利用高溫高壓方法制備了由納米顆粒組成的巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS塊體稀磁半導(dǎo)體材料。2、巖鹽礦CdS稀磁半導(dǎo)體的禁帶寬度為I. 5-1. 7eV，并且是ー種間接帶隙半導(dǎo)體，與常壓下的閃鋅礦結(jié)構(gòu)(帶隙為2.5eV)比較，禁帶寬度變窄了，通過巖鹽礦和閃鋅礦結(jié)構(gòu)結(jié)合，帶隙可以由近紫外到遠(yuǎn)紅外整個光譜區(qū)內(nèi)連續(xù)變化；本發(fā)明的巖鹽礦Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體不僅在這方面具有優(yōu)勢，同時因?yàn)樗哂惺覝罔F磁性，所以將是各種光電子和磁光器件的理想材料。


圖I是實(shí)施例I在高溫高壓條件下制得的巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的XRD圖。圖2是實(shí)施例I制得的巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的XPS圖譜。圖3是實(shí)施例I制得的巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的TEM照片。圖4是實(shí)施例I制得的巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的M-H圖。圖5是米用氣液表面無機(jī)合成方法制備的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的XRD圖。圖6是米用氣液表面無機(jī)合成方法制備的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的TEM照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I摻雜濃度為原子比0. 1441 %的Co摻雜CdS的高溫高壓處理將具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS納米粉末壓制成直徑為3mm，厚度為Imm的薄片。將壓制后的薄片放入六面頂壓機(jī)的反應(yīng)腔體中。調(diào)制壓力和溫度值，使得溫度達(dá)到600°C，壓カ達(dá)到5GPa，且保壓時間達(dá)到30分鐘，30分鐘后對樣品降溫到室溫后卸壓，得到巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒組成的塊體材料。將壓力、溫度和保壓時間分別調(diào)整為6GPa、700 V、40分鐘或7GPa、800 V、50分鐘，又得到2組巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒組成的塊體材料。除去樣品兩端的傳壓介質(zhì)，對樣品表面進(jìn)行清理后，對樣品進(jìn)行了 XRD、XPS、TEM和磁滯回線進(jìn)行了測試，3組樣品測試結(jié)果相同。將5GPa、600°C、30分鐘實(shí)驗(yàn)條件制備的樣品測試結(jié)果列出，XRD圖見圖I、XPS圖譜見圖2、TEM照片見圖3、磁滯回線見圖4。通過與初始原料的XRD (圖5)、TEM(圖6)對比，說明本實(shí)施例成功合成了巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS，樣品通過磁性測試，得到較好的磁滯回線，說明巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒具有較強(qiáng)的鐵磁性。通過透射電鏡和謝樂公式分別得到樣品的尺寸，高溫高壓后樣品平均尺寸為12nm，比較合成前的約4nm有所増大，應(yīng)該是高溫高壓條件下，促進(jìn)了顆粒尺寸的長大。實(shí)施例2摻雜濃度為原子比0. 1365 %的Co摻雜CdS的高溫高壓處理將具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS納米粉末壓制成直徑為3mm，厚度為Imm的薄片。將壓制后的薄片放入六面頂壓機(jī)的反應(yīng)腔體中。調(diào)制壓力和溫度值，使得溫度達(dá)到600°C，壓カ達(dá)到5GPa，且保壓時間達(dá)到30分鐘，30分鐘后對樣品降溫到室溫后卸壓。得到巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒組成的塊體材料。將壓力、溫度和保壓時間分別調(diào)整為6GPa、700 °C、40分鐘和7GPa、800°C、50分鐘，又得到2組巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒組成的塊體材料。除去樣品兩端的傳壓介質(zhì)，對樣品表面進(jìn)行清理后，對樣品進(jìn)行了 XRD、XPS、TEM和磁滯回線進(jìn)行了測試，3組樣品測試結(jié)果與實(shí)施例I的結(jié)果相同。只是在更高的溫度下，樣品長大更加明顯。利用摻雜濃度為原子比0. 1365%的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS納米顆粒，成功合成了巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒。實(shí)施例3摻雜濃度為原子比0. 1466 %的Co摻雜CdS的高溫高壓處理將具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS納米粉末壓制成直徑為3mm，厚度為Imm的薄片。將壓制后的薄片放入六面頂壓機(jī)的反應(yīng)腔體中。調(diào)制壓力和溫度值，使得溫度達(dá)到600°C，壓カ達(dá)到5GPa，且保壓時間達(dá)到30分鐘，30分鐘后對樣品降溫到室溫后卸壓。得到巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒組成的塊體材料。將壓力、溫度和保壓時間分別調(diào)整為6GPa、700°C、40分鐘和7GPa、800°C、50分鐘，又得到2組巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒組成的塊體材料。除去樣品兩端的傳壓介質(zhì)，對樣品表面進(jìn)行清理后，對樣品進(jìn)行了 XRD、XPS、TEM和磁滯回線進(jìn)行了測試，3組樣品測試結(jié)果與實(shí)施例I的結(jié)果相同。只是在更高的溫度下，樣品長大更加明顯。說明利用摻雜濃度為原子比0. 1466%的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS納米顆粒，成功合成了巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒。實(shí)施例4摻雜濃度為原子比0. 1477 %的Co摻雜CdS的高溫高壓處理將具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS納米粉末壓制成直徑為3mm，厚度為Imm的薄片。將壓制后的薄片放入六面頂壓機(jī)的反應(yīng)腔體中。調(diào)制壓力和溫度值，使得溫度達(dá)到600°C，壓カ達(dá)到5GPa，且保壓時間達(dá)到30分鐘，30分鐘后對樣品降溫到室溫后卸壓。得到巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒組成的塊體材料。將壓力、溫度和保壓時間分別調(diào)整為6GPa、700°C、40分鐘和7GPa、800°C、50分鐘，又得到2組巖鹽礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒組成的塊體材料。除去樣品兩端的傳壓介質(zhì)，對樣品表面進(jìn)行清理后，對樣品進(jìn)行了 XRD、XPS、TEM和磁滯回線進(jìn)行了測試，3組樣品測試結(jié)果與實(shí)施例I的結(jié)果相同，只是在更高的溫度下，樣品長大更加明顯。說明利用摻雜濃度為原子比0. 1477%的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS納米顆粒，成功合成了巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒。
權(quán)利要求
1.一種巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的制備方法，以Co含量按原子比為O. 136 O. 148%的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒為初始原料，在六面頂壓機(jī)上完成；首先將初始原料粉加壓成型，裝入反應(yīng)腔體，采用石墨管進(jìn)行旁路加熱，在壓力5. O 7. OGPa，溫度600 800°C下，保壓30 50分鐘，冷卻卸壓得到巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的制備方法，其特征在于，所述的冷卻卸壓，可以是先降溫到100°C以下，再進(jìn)行卸壓。
全文摘要
本發(fā)明的巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒的制備方法屬于稀磁半導(dǎo)體納米顆粒材料制備的技術(shù)領(lǐng)域。以閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒為初始原料，在壓力5.0～7.0GPa，溫度600～800℃下，保壓30～50分鐘，冷卻卸壓得到巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒。本發(fā)明利用高溫高壓方法合成了巖鹽礦結(jié)構(gòu)Co摻雜CdS稀磁半導(dǎo)體納米顆粒；巖鹽礦CdS稀磁半導(dǎo)體的禁帶寬度為1.5～1.7eV，并且是一種間接帶隙半導(dǎo)體，通過巖鹽礦和閃鋅礦結(jié)構(gòu)結(jié)合，帶隙可以由近紫外到遠(yuǎn)紅外整個光譜區(qū)內(nèi)連續(xù)變化，同時因?yàn)樗哂惺覝罔F磁性，將是各種光電子和磁光器件的理想材料。
文檔編號C01G11/02GK102616830SQ20121010525
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者姚彬彬, 張明喆, 趙瑞, 邱明澤 申請人:吉林大學(xué)