一種ZnO粉末的提純方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于ZnO粉末提純的工藝。在石英安瓿中采用抽空加熱并結(jié)合石墨輔助化學(xué)氣相法對(duì)ZnO粉末進(jìn)行提純。測(cè)試結(jié)果顯示，提純后得到的ZnO多晶雜質(zhì)離子(如Ag、Cu、Pb等對(duì)器件影響較大的深能級(jí)、多能級(jí)重金屬離子)明顯減少，純度大幅提高，結(jié)晶度好。該方法對(duì)設(shè)備要求較低，操作簡單，提純效率高，實(shí)用性強(qiáng)，適合推廣。
【專利說明】一種ZnO粉末的提純方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及一種ZnO粉末的提純方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 氧化鋅（ZnO)為直接帶隙半導(dǎo)體材料，室溫禁帶寬度為3. 4eV，激子束縛能為 60meV，是一種適合制作高效率藍(lán)色、紫外發(fā)光和重離子探測(cè)等光電器件的寬帶隙半導(dǎo)體材 料。ZnO在可見光區(qū)的透射率達(dá)90%，可作太陽能電池透明電極和窗口材料；優(yōu)良的壓電 性能，ZnO晶體還可制作壓電換能器和表面聲波器件。與其它的寬帶隙材料SiC、GaN等相 比，ZnO具有資源豐富、價(jià)格低廉、高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、更好的抗輻照損傷能力和適合做長 壽命器件等優(yōu)勢(shì)，已成為半導(dǎo)體和材料學(xué)科的研究熱點(diǎn)。
[0003] 高純度的原料是制備高質(zhì)量ZnO光電器件的關(guān)鍵。但目前國內(nèi)生產(chǎn)的粉末原料純 度不高（較好的只達(dá)到99. 99% );國外生產(chǎn)的高純粉末料（純度為99. 999% )中也依舊 存在痕量的重金屬元素。因此，在制備各類ZnO樣品（單晶，薄膜，納米，量子線/點(diǎn)或者超 晶格）之前，有必要先通過一種提純方案除去原料中的雜質(zhì)離子。
[0004] 本文設(shè)計(jì)了一種多級(jí)提純的實(shí)驗(yàn)方案。該方案分別采用抽空加熱，石墨輔助化學(xué) 氣相法在石英安瓿內(nèi)對(duì)ZnO粉末進(jìn)行多次提純。ICP-MS測(cè)試結(jié)果顯示，提純工藝能有效除 去一些無機(jī)重金屬雜質(zhì)離子，提高粉末原料的純度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明專利的目的在于解決上述技術(shù)問題，提供一種ZnO粉末的提純方法，其特 征在于包括以下步驟：
[0006] 步驟一，清洗石英安咅瓦
[0007] 將石英安瓿放入氫氟酸和硝酸混合溶液（氫氟酸和硝酸配比為3:1)中浸泡3-5 分鐘，然后用去尚子水將石英安瓶反復(fù)清洗后烘干；
[0008] 步驟二：去原料中的低溫易揮發(fā)的雜質(zhì)：
[0009] 將ZnO粉末與石墨粉按一定質(zhì)量（50:1-300:1)比例放入步驟一所述的石英安瓿 內(nèi)，抽真空至l〇-5Pa_10_4Pa后，再將其主體部分該石英安瓶放置在堅(jiān)式管式爐中，控制料 區(qū)溫度在l〇〇°C -300°C范圍內(nèi)，保溫1-3小時(shí)，待管內(nèi)真空度達(dá)到恒定的最大值時(shí)，利用氫 氧焰噴槍將石英安瓿管口封結(jié)。
[0010] 步驟三：ZnO粉末提純：
[0011] 將封結(jié)后的石英安瓿放入水平管式爐內(nèi)，如圖2所示，控制原料區(qū)（ZnO粉末與石 墨粉所在的高溫區(qū)）溫度至1000°C-120(TC，結(jié)晶端（石英安瓿的另一端即為低溫區(qū)）溫 度至980°C -1180°C，溫差在100°C以內(nèi)，確定提純時(shí)間為5-10天，再緩慢（5-10小時(shí)）降溫 至室溫，在結(jié)晶端即得到提純后的ZnO多晶體，石墨粉全部分布在料區(qū)石英管壁，在結(jié)晶端 無石墨粉，即不會(huì)對(duì)提純后的樣品產(chǎn)生污染。
[0012] 如權(quán)利要求所述的一種ZnO粉末的提純方法，其特征在于步驟一中所述的ZnO粉 末與石墨粉按質(zhì)量比為為50:1-300:1。
[0013] 如權(quán)利要求所述的一種ZnO粉末的提純方法，其特征在于提純后的ZnO粉末的純 度達(dá)到了 99. 999%。
[0014] 如權(quán)利要求所述的一種ZnO粉末的提純方法，其特征在于能有效除去原料中的痕 量雜質(zhì)元素，如Ag、Cu、Pb、Pt等重金屬離子，以及低溫易揮發(fā)的雜質(zhì)離子。
[0015] 有益效果：
[0016] 該工藝通過抽空加熱除去低溫易揮發(fā)的雜質(zhì)，通過石墨輔助化學(xué)氣相法有效除去 痕量元素，方法簡單，可操作性強(qiáng)，并能明顯的提高原料純度，提純后的ZnO原料純度可達(dá) 99. 999% 以上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：
[0018] 圖1為加熱抽真空原理示意圖
[0019] 圖2為提純示意圖
[0020] 圖3為水平管式爐內(nèi)溫場(chǎng)分布及安瓿放置位置
[0021] 圖4為提純后得到的ZnO多晶。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0023] 提純實(shí)驗(yàn)在封閉的真空石英安瓿中進(jìn)行。石英管尺寸為φ3〇 mmx400 mm;先將石 英管放入氫氟酸和硝酸混合溶液（氫氟酸和硝酸配比為3:1)中浸泡3-5分鐘，然后用去離 子水將石英管反復(fù)清洗后烘干；裝入氧化鋅（4N)粉末10g，石墨粉0. 05g。在10(TC下加熱 并連續(xù)抽真空至3. 5Xl(T5Pa后封結(jié)。該步驟可除去原料中的低溫易揮發(fā)的雜質(zhì)。
[0024] 在三溫區(qū)水平管式爐中進(jìn)行提純實(shí)驗(yàn)，爐內(nèi)溫場(chǎng)分布及安瓿放置位置如圖3所 示。將石英管底部（料區(qū)）放入距爐口 650mm處，溫度控制在1020°C ;結(jié)晶端處于距爐口 250mm處，溫度控制在980°C，保溫5天；得到ZnO晶錠，如圖4所示：致密，呈淡黃色。作為 傳輸劑的石墨粉只分布在料區(qū)石英管壁，在料區(qū)小部分未反應(yīng)的ZnO粉末燒結(jié)成塊體狀。
[0025] 分別對(duì)市售的氧化鋅粉末料，提純后的氧化鋅多晶，未反應(yīng)的燒結(jié)料作等離子質(zhì) 譜儀（ICP-MS)測(cè)試，對(duì)其中部分無機(jī)物雜質(zhì)純化效果作定性、定量分析。測(cè)試結(jié)果如表1 所示。
[0026] 表1等離子體質(zhì)譜儀對(duì)氧化鋅中無機(jī)雜質(zhì)測(cè)試結(jié)果
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種ZnO粉末的提純方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一，清洗石英安咅瓦 將石英安瓿放入氫氟酸和硝酸混合溶液（氫氟酸和硝酸配比為3:1)中浸泡3-5分鐘， 然后用去尚子水將石英安瓶反復(fù)清洗后烘干； 步驟二：去原料中的低溫易揮發(fā)的雜質(zhì)： 將ZnO粉末與石墨粉按一定質(zhì)量（50:1-300:1)比例放入步驟一所述的石英安瓿 內(nèi)，抽真空至l〇_5Pa-l(T4Pa后，再將該石英安瓿放置在堅(jiān)式管式爐中，控制料區(qū)溫度在 100°C -300°C范圍內(nèi)，保溫1-3小時(shí)，待管內(nèi)真空度達(dá)到恒定的最大值時(shí)，利用氫氧焰噴槍 將石英安瓿管口封結(jié)； 步驟三：ZnO粉末提純： 將封結(jié)后的石英安瓿放入水平管式爐內(nèi)，控制原料區(qū)（ZnO粉末與石墨粉所在的 高溫區(qū)）溫度至1000°C-120(TC，結(jié)晶端（石英安瓿的另一端即為低溫區(qū)）溫度至 980°C -1180°C，所述原料區(qū)和結(jié)晶端的溫差在100°C以內(nèi)，提純時(shí)間為5-10天，后經(jīng)過5-10 小時(shí)降溫至室溫，在結(jié)晶端即得到提純后的ZnO多晶體，石墨粉全部分布在料區(qū)石英管壁， 在結(jié)晶端無石墨粉。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種ZnO粉末的提純方法，其特征在于步驟一中所述的ZnO粉 末與石墨粉按質(zhì)量比為為50:1-300:1。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種ZnO粉末的提純方法，其特征在于提純后的ZnO粉末的純 度達(dá)到了 99. 999%。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種ZnO粉末的提純方法，其特征在于能有效除去原料中的痕 量雜質(zhì)元素，如深能級(jí)、多能級(jí)的Ag、Cu、Pb、Pt等重金屬離子，以及低溫易揮發(fā)的雜質(zhì)離 子。
【文檔編號(hào)】C01G9/02GK104118900SQ201410334917
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】曾體賢, 蔣嶼潞, 黃超, 劉其婭, 楊尚云 申請(qǐng)人:西華師范大學(xué)