In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的合成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]ZnO (氧化鋅)是一種I1-VI族化合物半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，是制備室溫和更高溫度下的半導(dǎo)體激光器、紫外探測(cè)器、藍(lán)紫光發(fā)光二極管(LED)等的理想材料。ZnO—維納米材料由于量子限域效應(yīng)、表面效應(yīng)、壓電效應(yīng)等所具有的優(yōu)于體材料的光學(xué)、電學(xué)和壓電性能等使其已成為當(dāng)前光電信息研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
[0003]在ZnO納米晶中進(jìn)行In(銦)和Ga(鎵)的共摻雜，可以在保持纖鋅礦結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)其能帶在3.3-3.7eV之間的調(diào)節(jié)，同時(shí)又表現(xiàn)出明顯的表面等離子體共振吸收效應(yīng)，在制備短波長(zhǎng)納米發(fā)光器件和納米光電子器件等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。
[0004]目前合成共摻雜In和Ga的ZnO納米晶的方法較多，主要分為物理方法和化學(xué)方法兩大類，前者主要包括脈沖激光沉積法、磁控濺射法、熱蒸發(fā)法等，后者主要包括金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法、溶膠凝膠法、水熱(溶劑熱)法等。然而，上述制備方法存在如下缺點(diǎn):設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、分散性差、可控性差、摻雜不均等，尤其是物理法制備的In、Ga共摻雜的ZnO納米晶材料無法應(yīng)用在低溫溶液工藝的太陽能電池和發(fā)光二極管等光電器件中，故嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉、可控性好、結(jié)晶質(zhì)量高的In、Ga共摻雜的ZnO納米晶及其合成方法。
[0006]—種In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的合成方法，包括以下步驟:將脂肪酸銦、鎵鹽、月旨肪酸鋅和有機(jī)溶劑混合置于反應(yīng)器中，磁力攪拌均勻，升溫至80-150°C后抽真空除去反應(yīng)體系中的水蒸汽和氧氣，然后在惰性保護(hù)氣氛下加熱到200-350°C ;將溫度為100-200°C的醇快速注入到反應(yīng)器中，保溫30-120分鐘，冷卻至室溫；將反應(yīng)混合物離心分離，得到In、Ga共摻雜的ZnO納米晶。
[0007]進(jìn)一步地，所述脂肪酸銦為硬脂酸銦、肉豆蔻酸銦、十四酸銦、異辛酸銦、月桂酸銦、醋酸銦、己酸銦、辛酸銦、葡萄糖酸銦、棕櫚酸銦、以及檸檬酸銦中的至少一種。
[0008]進(jìn)一步地，所述鎵鹽為硝酸鎵、十四酸鎵、十五酸鎵、十六酸鎵、十七酸鎵、十八酸鎵、或異辛酸鎵中的至少一種。
[0009]進(jìn)一步地，所述脂肪酸鋅為硬脂酸鋅、肉豆蔻酸鋅、異辛酸鋅、月桂酸鋅、醋酸鋅、丙酸鋅、i^一烯酸鋅、葡萄糖酸鋅、庚酸鋅、檸檬酸鋅、棕櫚酸鋅、油酸鋅、或亞油酸鋅中的至少一種。
[0010]進(jìn)一步地，所述脂肪酸銦和所述鎵鹽的摩爾數(shù)之和小于等于所述脂肪酸鋅的摩爾數(shù)的20%。
[0011 ] 進(jìn)一步地，所述有機(jī)溶劑為1- 二十烯、十八烷基乙烯基醚、或二苯醚中的至少一種。
[0012]進(jìn)一步地，所述醇為十五醇、十六醇、十七醇、十八醇、或油醇中的至少一種。
[0013]進(jìn)一步地，所述惰性保護(hù)氣氛是氬氣、氦氣、或氮?dú)庵械闹辽僖环N。
[0014]進(jìn)一步地，所述惰性保護(hù)氣氛的純度為99%以上。
[0015]進(jìn)一步地，對(duì)所述反應(yīng)混合物采取離心分離的離心速度為3000-6000rpm/min。
[0016]本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液的加熱溫度和反應(yīng)時(shí)間可以控制In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的尺寸，通過調(diào)節(jié)脂肪酸銦、鎵鹽、脂肪酸鋅的摩爾比可以改變ZnO納米晶中In和Ga的實(shí)際摻雜含量，本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、成本較低、重復(fù)性好、易于工業(yè)化生產(chǎn)，獲得的In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的直徑為5?15nm，其分散性好、可控性強(qiáng)、摻雜均勻。
【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1是實(shí)施例1中In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的XRD圖；
[0019]圖2是實(shí)施例1中In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的TEM照片；
[0020]圖3是實(shí)施例1中In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的EDS圖；
[0021]圖4是實(shí)施例1中In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的紫外-可見-近紅外吸收光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0023]In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的合成方法包括以下步驟:
[0024]首先，將脂肪酸銦、鎵鹽、脂肪酸鋅和有機(jī)溶劑混合置于反應(yīng)器中，磁力攪拌均勻，升溫至80-150°C后抽真空除去反應(yīng)體系中的水蒸汽和氧氣，然后在惰性保護(hù)氣氛下加熱到200-350 °C ；
[0025]其次，將溫度為100_200°C的醇快速注入到反應(yīng)器中，保溫30-120分鐘，冷卻至室溫;
[0026]最后，將反應(yīng)混合物離心分離，得到In、Ga共摻雜的ZnO納米晶。
[0027]脂肪酸銦可以為硬脂酸銦，肉豆蔻酸銦、十四酸銦、異辛酸銦、月桂酸銦、醋酸銦、己酸銦、辛酸銦、葡萄糖酸銦、月桂酸銦、棕櫚酸銦、或檸檬酸銦中的至少一種。
[0028]鎵鹽可以為硝酸鎵、十四酸鎵、十五酸鎵、十六酸鎵、十七酸鎵、十八酸鎵、異辛酸鎵中的至少一種。
[0029]脂肪酸鋅可以為硬脂酸鋅、肉豆蔻酸鋅、異辛酸鋅、月桂酸鋅、醋酸鋅、丙酸鋅、i^一烯酸鋅、葡萄糖酸鋅、庚酸鋅、檸檬酸鋅、棕櫚酸鋅、油酸鋅、或亞油酸鋅中的至少一種。
[0030]脂肪酸銦和鎵鹽的摩爾數(shù)之和小于等于脂肪酸鋅的摩爾數(shù)的20%。
[0031]有機(jī)溶劑可以為1- 二十烯、十八烷基乙烯基醚、或二苯醚中的至少一種。
[0032]醇可以為十五醇、十六醇、十七醇、十八醇、或油醇中的至少一種。
[0033]惰性保護(hù)氣氛是純度為99%以上的氬氣、氦氣、或氮?dú)庵械闹辽僖环N。
[0034]對(duì)反應(yīng)混合物采取離心分離的離心速度為3000-6000rpm/min。
[0035]反應(yīng)器可為燒瓶、燒杯或其他玻璃容器。
[0036]實(shí)施例1
[0037]首先，稱取0.lmmol月桂酸銦、0.05mmol十四酸鎵、lmmol硬脂酸鋅(即摩爾比為10:5: 100)和15ml十八烷基乙烯基醚置于50ml反應(yīng)燒瓶中，在磁力攪拌下升溫至140°C，然后對(duì)反應(yīng)燒瓶抽真空25分鐘，以除去反應(yīng)體系中的水蒸汽和氧氣，在純度為99.99%氦氣的保護(hù)氣氛下將反應(yīng)溶液迅速升溫至300°C ;
[0038]其次，把溫度為180°C的十八醇迅速注入到反應(yīng)燒瓶中，并保溫40分鐘，用水浴冷卻反應(yīng)溶液至室溫；
[0039]最后，將反應(yīng)混合物6000rpm/min離心分離，得到In、Ga共摻雜的ZnO納米晶。
[0040]將得到的白色的In、Ga共摻雜的ZnO納米晶產(chǎn)物干燥后，進(jìn)行XRD (X射線衍射)測(cè)試、TEM電鏡拍照、EDS測(cè)試、以及紫外-可見-近紅外吸收光譜圖測(cè)定。
[0041]圖1是實(shí)施例1中In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的XRD圖，參見圖1所示，XRD測(cè)試結(jié)果中的峰都是纖鋅礦ZnO相的主要峰位，In、Ga引入之后，In、Ga共摻雜的ZnO納米晶仍然保留了 ZnO原有的纖鋅礦相結(jié)構(gòu)，即證明得到的產(chǎn)物為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。
[0042]圖2是實(shí)施例1中In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的TEM照片，參見圖2所示，TEM照片中可以看出，In、Ga共摻雜的ZnO納米晶的直徑為7?10nm，In、Ga共摻雜的ZnO納米晶