專利名稱：一種高發(fā)光性能ZnO納米顆粒的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料制造領(lǐng)域，具體的說是一種高發(fā)光性能ZnO納米顆粒的制備方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ墓怆娦畔⒐δ懿牧稀?997年，日本和香港科學(xué)家首次報(bào)道了氧化鋅薄膜室溫下的近紫外受激光發(fā)射，立即引起強(qiáng)烈的反響?！禨cience》和《Nature》都對(duì)此研究進(jìn)行了相關(guān)評(píng)述，稱其為激光技術(shù)的重要發(fā)展，是一項(xiàng)偉大的工作。ZnO是一種室溫直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3. 37 eV，激子結(jié)合能高達(dá)60meV，可實(shí)現(xiàn)室溫短波長(zhǎng)發(fā)光，并且熔點(diǎn)高，有較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。此外，ZnO原材料資源豐富、價(jià)格便宜、無毒無害，對(duì)環(huán)境沒有污染，是藍(lán)光和紫外光發(fā)射器件的潛在應(yīng) 用材料。迄今為止，人們嘗試了各種方法例如調(diào)節(jié)制備條件和熱處理溫度來抑制缺陷發(fā)光提高紫外發(fā)光。由于純的ZnO性能不穩(wěn)定不能滿足日益增長(zhǎng)的應(yīng)用的需求，因此在單晶納米結(jié)構(gòu)中植入摻雜質(zhì)，能產(chǎn)生新的物理性能如鐵磁性，高導(dǎo)電率，電子-聲子耦合效應(yīng)，催化活性和帶隙的調(diào)節(jié)。因?yàn)橄⊥猎氐奶厥鈿咏Y(jié)構(gòu)，作為發(fā)光材料的發(fā)光中心是一種比較好的選擇，也是紫外到可見光區(qū)可調(diào)諧激光材料和熒光材料的優(yōu)良激活離子。據(jù)我們調(diào)查，目前人們面臨的一大難題是無法對(duì)稀土摻雜納米氧化鋅材料的發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光峰位實(shí)現(xiàn)有效控制。本發(fā)明制備的釔摻雜ZnO納米顆粒，發(fā)光性能得到了很大的提高，在納光電系統(tǒng)、激光器、低壓和短波長(zhǎng)光電子器件、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、單電子晶體管、透明導(dǎo)電材料、氣敏傳感器和熒光器件等方面都具有潛在的應(yīng)用前景。迄今為止，人們采用氣相傳輸法，脈沖激光沉積法，化學(xué)氣相沉積法，以及電化學(xué)沉積法都可以獲得很好的ZnO納米材料。然而，這些方法通常都需要特殊的儀器，在高溫的條件下，經(jīng)過復(fù)雜的操作過程才可以制備出材料，而且得到的材料缺陷濃度很高。溶膠凝膠法具有環(huán)保和操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)而備受人們的親賴。但是采用該方法生長(zhǎng)純的ZnO納米顆粒，缺陷也很高，我們通過引入摻雜雜質(zhì)釔，有效降低了 ZnO納米顆粒的缺陷濃度，大大提高了紫外發(fā)光峰的強(qiáng)度，摻雜釔元素后紫外峰的發(fā)光強(qiáng)度與未摻雜的ZnO相比提高了 300倍。據(jù)我們所知目前還沒有相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高發(fā)光性能ZnO納米顆粒的制備方法，該方法選擇稀土元素釔作為摻雜雜質(zhì)，采用溶膠凝膠法與熱處理相結(jié)合的方法，利用摻雜雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，有效降低了 ZnO納米顆粒的缺陷濃度，大大提高了紫外峰的發(fā)光強(qiáng)度。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，制備該ZnO納米顆粒所采用的原料及其重量配比是
Y(NO3)3 ·6Η20 (O. 1915g)
Zn(NO3)2 · 6H20 (2. 8261 g)C6H8O7(6.3042 g)
C2H6O2(2.4753 g)
本發(fā)明制備方法的具體步驟是將檸檬酸用50ml去離子水溶解形成檸檬酸溶液，將Y(NO3)3 · 6H20和Zn(NO3)2 · 6H20分別用IOOml去離子水充分溶解后與檸檬酸混合在一起放在攪拌器上室溫?cái)嚢瓒昼?，形成混合溶液，然后將乙二醇以慢速加入混合溶液中，并不停攪拌一小時(shí)四十分鐘后得到溶膠，然后將得到的溶膠放入干燥箱中，在90°C下恒溫干燥六小時(shí)成為凝膠，之后將干燥箱的溫度升到120°C，四小時(shí)之后該凝膠成為蓬松的白色粉末狀固體；將白色粉末狀固體放在白玉坩堝中蓋好蓋子，在馬弗爐中400°C預(yù)燒結(jié)一小時(shí)，得到非晶前軀體，再將此前軀體750°C恒溫退火六小時(shí)，退火之后取出本發(fā)明目標(biāo)產(chǎn)品，進(jìn)行XRD物相測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示本發(fā)明的目標(biāo)產(chǎn)品是ZnO (呈六角纖鋅礦結(jié)構(gòu))，并且沒有任何雜相(見圖2)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn) I、本發(fā)明采用傳統(tǒng)的溶膠凝膠法在制備的過程中通過添加稀土離子，有效提高了 ZnO納米顆粒的紫外發(fā)光強(qiáng)度(Ιυν/Ι·從O. 02提高到6)，為制備納米電子器件和納米光電子器件提供重要的材料。2、本發(fā)明不但操作簡(jiǎn)單，而且具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、便捷、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)該方法制備的釔摻雜ZnO納米顆粒發(fā)光性能得到了很好的改善(見圖3)。3、該發(fā)明無論在實(shí)驗(yàn)范圍亦或?qū)嶋H應(yīng)用方面都有很重要的科學(xué)價(jià)值和意義。


圖I是本發(fā)明釔摻雜ZnO納米顆粒的制備方法工藝流程圖。圖2是采用溶膠凝膠法制備ZnO納米顆粒XRD與采用本發(fā)明方法制備的釔摻雜ZnO納米顆粒XRD的對(duì)比圖。圖3是溶膠凝膠法制備ZnO納米顆粒的掃描電鏡譜圖。圖4是采用本發(fā)明方法制備的釔摻雜ZnO納米顆粒的掃描電鏡譜圖。圖5是溶膠凝膠法制備的純ZnO納米顆粒與本發(fā)明制備的釔摻雜ZnO納米顆粒室溫光致發(fā)光譜對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所需的原料如下
硝酸鋅(Zn(NO3)2 · 6Η20，沈陽國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)為分析純；
檸檬酸(C6H7O8 · H2O,沈陽第一試劑廠化學(xué)試劑)為分析純；乙二醇(C2H6O2，沈陽國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)為分析純；
硝酸釔(Y(NO3)3 · 6Η20，沈陽國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)為分析純。如圖I 所示:首先按比例稱量 Y(NO3)3 ·6Η20(0· 1915g)、Zn(NO3)2 ·6Η20(2· 8261g)、檸檬酸(6. 3042g)和乙二醇(2. 4753g)原料，各種物質(zhì)的摩爾比為檸檬酸乙二醇金屬陽離子(Y3+、Zn2+)的總和=3 4 :1。將檸檬酸用50ml去離子水溶解形成檸檬酸溶液，將Y(NO3)3 · 6H20和Zn(NO3)2 · 6H20用IOOml去離子水充分溶解后與檸檬酸混合在一起放在攪拌器上室溫?cái)嚢瓒昼姡纬苫旌先芤?，然后將乙二醇以慢速加入混合溶液中，在滴定的過程中需不停攪拌混合溶液，一小時(shí)四十分鐘后形成溶膠，然后將溶膠放入干燥箱中，在90°C下恒溫干燥六小時(shí)成為凝膠，之后將干燥箱的溫度升到120°C，四小時(shí)之后該凝膠成為蓬松的白色粉末狀固體；將白色粉末狀固體放在白玉坩堝中蓋好蓋子，在馬弗爐中400°C預(yù)燒結(jié)一小時(shí)，得到非晶前軀體，再將此前軀體750°C恒溫退火六小時(shí)，退火之后取出本發(fā)明目標(biāo)廣品。圖2 Ca)是溶膠凝膠法制備ZnO納米顆粒的XRD圖。圖2 (b )是本發(fā)明目標(biāo)產(chǎn)品釔摻雜ZnO納米顆粒的XRD圖。從附圖2中對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行XRD物相測(cè)試表明，測(cè)試結(jié)果顯示本發(fā)明的目標(biāo)產(chǎn)品是ZnO (呈六角纖鋅礦結(jié)構(gòu))，并且沒有任何雜相。附圖3和附圖4分別是采用溶膠凝膠法制備的ZnO納米顆粒和本發(fā)明制備的釔摻雜ZnO納米顆粒掃描電鏡圖，從圖3中可以看出純ZnO納米顆粒直徑較大約為lOOnm。本 發(fā)明合成出的ZnO納米顆粒,從圖4可以看出尺寸明顯比純的ZnO納米顆粒小直徑大約在30nm左右。在圖5中(a)是溶膠凝膠法制備的純ZnO納米顆粒、(b)是本發(fā)明制備的釔摻雜ZnO納米顆粒室溫光致發(fā)光譜圖。對(duì)比圖中(a)和(b)我們可以清楚地看到本發(fā)明目標(biāo)產(chǎn)品的紫外峰明顯增強(qiáng)，而綠光帶被抑制。本發(fā)明制備的釔摻雜ZnO納米顆粒的IuvAim (紫外發(fā)射和深能級(jí)發(fā)射的強(qiáng)度比)較大，約為6，溶膠凝膠法制備純ZnO納米顆粒的IOT/ImE為0.02。這意味著，本發(fā)明的目標(biāo)產(chǎn)品有較好的光致發(fā)光性能，更適合于制備納米光電子元件。
權(quán)利要求
1.一種高發(fā)光性能ZnO納米顆粒的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟①、按比例稱量Y(NO3)3 · 6H20 O. 1915 g、Zn (NO3) 2 · 6H20 2. 8261 g、C6H8O7 6. 3042g、C2H6O2 2. 4753 g ； ②、將檸檬酸用50ml去離子水溶解形成檸檬酸溶液，將Y(NO3)3· 6H20和Zn(NO3)2 ·6H20分別用IOOml去離子水充分溶解后與檸檬酸混合在一起放在攪拌器上室溫?cái)嚢瓒昼?，形成混合溶液，然后將乙二醇以慢速加入混合溶液中，在滴定的過程中需不停攪拌混合溶液，慢速加入混合溶液所需時(shí)間是一小時(shí)四十分鐘形成溶膠，然后將溶膠放入干燥箱中，在90°C下恒溫干燥六小時(shí)成為凝膠，之后將干箱的溫度升到120°C，四小時(shí)之后該凝膠成為蓬松的白色粉末狀固體； ③、將②中白色粉末狀固體取出，放在白玉坩堝中蓋好蓋子，在馬弗爐中400°C煅燒一小時(shí)，得到非晶前軀體，再將此前軀體750°C恒溫退火六小時(shí)，退火之后取出本發(fā)明目標(biāo)產(chǎn)品，進(jìn)行XRD物相測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示本發(fā)明的目標(biāo)產(chǎn)品是呈六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高發(fā)光性能ZnO納米顆粒的制備方法，其特征在于所述的Y(NO3)3* 6H20、Zn(NO3)2 · 6H20、檸檬酸和乙二醇原料中各種物質(zhì)的摩爾比為檸檬酸乙二醇金屬陽離子(Zn2+、Y3+)的總和=3:4:1。
全文摘要
本發(fā)明涉及材料制造領(lǐng)域，具體的說是一種高發(fā)光性能ZnO納米顆粒的制備方法，該方法采用溶膠凝膠法，用Y(NO3)3·6H2O、Zn(NO3)2·6H2O、檸檬酸和乙二醇為原料，各種物質(zhì)的摩爾比為檸檬酸乙二醇金屬陽離子(Zn2+、Y3+)的總和＝3∶4∶1；利用稀土離子釔的補(bǔ)償作用，抑制ZnO納米顆粒中的缺陷濃度，有效提高ZnO納米顆粒的發(fā)光質(zhì)量。
文檔編號(hào)C09K11/78GK102796521SQ201110133609
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者高銘, 楊景海, 楊麗麗 申請(qǐng)人:吉林師范大學(xué)