專利名稱：一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)機(jī)紅光材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代光電顯示技術(shù)的日益成熟與完善，電致發(fā)光器件以其薄型化、輕量化、高亮度、高清晰度、低電壓化等優(yōu)點(diǎn)正逐步成為目前光電器件領(lǐng)域中有著巨大應(yīng)用前景與市場(chǎng)前景的新型光電器件。根據(jù)電致發(fā)光材料的不同，電致發(fā)光器件又可分為有機(jī)電致發(fā)光， 無(wú)機(jī)電致發(fā)光和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合電致發(fā)光器件。雖然目前對(duì)電致發(fā)光器件的研究已經(jīng)很多而且技術(shù)也相當(dāng)成熟，但在基于紅綠藍(lán)全色顯示方面還存在較多問題由于紅光發(fā)射對(duì)應(yīng)的躍遷能量較小，因此紅光材料必須具備較小的能級(jí)差，而目前所使用的大部分發(fā)光材料都為寬禁帶半導(dǎo)體，可以容易的獲得藍(lán)光材料和綠光材料，而紅光材料的獲得相對(duì)較難，這就導(dǎo)致了紅光材料的匱乏，并且研究進(jìn)展也明顯落后；另外目前所使用的發(fā)光材料如砷化鎵及各種有機(jī)物等可能具有毒性對(duì)人體有害又或者制備困難價(jià)格昂貴。因此性能優(yōu)異的紅光材料成為實(shí)現(xiàn)全彩顯示的關(guān)鍵技術(shù)之一。
ZnO是寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下帶隙約為3. 3eV，作為一種新型的功能材料，ZnO具有無(wú)毒害，環(huán)境友好，生物相容，易于制備等優(yōu)點(diǎn)，并且具有極其優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，在光電顯示領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)ZnO進(jìn)行雜質(zhì)摻雜不僅可以調(diào)節(jié)帶隙寬度還可以引入相應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)，從而改變ZnO的發(fā)光性質(zhì)。Co是過渡族金屬元素，由于ZnO 摻Co后容易出現(xiàn)鐵磁性是極具發(fā)展?jié)摿Φ南〈虐雽?dǎo)體材料，并且Co離子與Zn離子有著相近的離子半徑容易進(jìn)行摻雜，因此人們大多集中于對(duì)Co摻雜ZnO的制備方法和磁性的研究，而對(duì)其發(fā)光性能的研究及應(yīng)用還鮮有涉及。另外已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道Co摻雜的ZnO在 550nm-700nm的可見區(qū)出現(xiàn)了 Co相關(guān)的吸收峰,這表明Co摻雜后在ZnO帶隙中形成了相應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)，并且對(duì)應(yīng)的能級(jí)差比較小，有望制備出紅色發(fā)光材料，因此對(duì)Co摻雜ZnO進(jìn)行深入的研究是非常有意義的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在的問題，提供一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法及應(yīng)用，以提供一種新的紅光材料體系。
本發(fā)明的技術(shù)方案
—種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，以具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO為基質(zhì)， 以過渡族金屬元素Co為摻雜離子，采用化學(xué)共沉淀方法制備，步驟如下
I)將鋅源和摻雜源與溶劑混合，超聲溶解30分鐘，得到鋅源和摻雜源的混合前驅(qū)液；
2)將共沉淀劑與同步驟I中相同的溶劑混合，超聲溶解30分鐘，得到共沉淀劑的前驅(qū)液；
3)在磁力攪拌條件下將上述共沉淀劑的前驅(qū)液加入到鋅源和摻雜源的混合前驅(qū)液中，磁力攪拌30分鐘，得到含有大量沉淀的渾濁溶液，將所得的渾濁溶液于水浴加熱條件下繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí)，最后將溶液離心分離；
4)將分離后得到的沉淀物分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3遍，干燥后，即可得到基于Co摻雜ZnO的紅光材料。
所述溶劑為無(wú)水乙醇或去離子水。
所述鋅源為乙酸鋅、硝酸鋅或氯化鋅，摻雜源為乙酸鈷、硝酸鈷或氯化鈷；鋅源和摻雜源的總量中鋅源的質(zhì)量百分比大于95%，余量為摻雜源，鋅源和摻雜源與溶劑的用量比為 0. 01-0. 05g/ml。
所述共沉淀劑為氫氧化鈉、氫氧化鋰或氫氧化鉀，共沉淀劑與溶劑的用量比為0.04-0. 06g/ml。
所述水浴加熱溫度為70_90°C。
所述沉淀物的干燥溫度為40_60°C。
—種所述基于Co摻雜ZnO的紅光材料的應(yīng)用,用作電致發(fā)光器件的功能層材料。
本發(fā)明的工作原理Co離子在ZnO四面體晶體場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生能級(jí)劈裂，在ZnO禁帶中形成多個(gè)雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)能夠捕獲電子和空穴通過輻射復(fù)合發(fā)射出光子，另外根據(jù)Co離子在ZnO基質(zhì)中的吸收位置及發(fā)射位置可以判定雜質(zhì)能級(jí)的分布，一般這些雜質(zhì)能級(jí)間能級(jí)差較小，是很好的紅色發(fā)光材料。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該基于Co摻雜ZnO的紅光材料具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及無(wú)毒害、環(huán)境友好等特性，其制備方法工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、成本低廉，適合規(guī)?；a(chǎn)；該紅光材料顆粒尺寸小、易于分散、成膜性好，且摻雜濃度可控，可用作電致發(fā)光器件的功能層材料。


圖I為Co摻雜ZnO
圖2為Co摻雜ZnO
圖3為Co摻雜ZnO
圖4為Co摻雜ZnO的X射線衍射圖。的掃描電鏡圖。的紫外-可見吸收光譜圖。 的光致發(fā)光光譜圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I :
一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，步驟如下
I)稱取I. 3g乙酸鋅和0. 04g乙酸鈷，混合溶于60ml無(wú)水乙醇中，超聲溶解30分鐘；
2)稱取I. 6g的氫氧化鈉，溶于40ml無(wú)水乙醇中，超聲溶解30分鐘；
3)將步驟2中配制的氫氧化鈉溶液倒入步驟I中配制的乙酸鋅和乙酸鈷的混合溶液中，磁力攪拌30分鐘，然后將所得的混合溶液倒入三頸瓶，將三頸瓶放入水浴鍋，上接冷凝管回流，90°C水浴加熱并磁力攪拌反應(yīng)2小時(shí)，最后將溶液離心分離；
4)將分離的沉淀物分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3遍，將沉淀置于鼓風(fēng)干燥箱中60°C干燥，即得到Co摻雜的ZnO發(fā)光材料。
圖I為所制備的Co摻雜的ZnO發(fā)光材料的X射線衍射圖，圖中表明所制備的材料為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，并且沒有Co相關(guān)的雜相出現(xiàn)。
圖2為Co摻雜ZnO的掃描電鏡圖，圖中顯示所制備的材料顆粒在納米尺度范圍。
圖3為Co摻雜ZnO的紫外-可見吸收光譜圖，圖中表明所制備的材料在可見區(qū)的吸收范圍為550納米到700納米。
圖4為Co摻雜ZnO的光致發(fā)光光譜圖，圖中表明所制備的材料在680納米處出現(xiàn)紅光。
將該Co摻雜ZnO材料用作為無(wú)機(jī)功能層，首先將Co摻雜的ZnO納米材料分別用去離子水、甲醇超聲洗滌3次，然后分散在甲醇溶劑中，形成Co摻雜ZnO的甲醇溶液；然后將 Co摻雜ZnO的甲醇溶液旋涂在經(jīng)過超聲清洗和干燥處理過的氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃基片上，ITO電極即為陽(yáng)極，其電阻為20Q/口。然后在真空干燥箱內(nèi)干燥，烘干溫度為140°C， 烘干時(shí)間為60分鐘，以去除多余溶劑，形成致密薄膜；最后再真空蒸鍍一層鋁電極作為器件的陰極。將直流電的正極加在ITO電極上，將負(fù)極加在鋁電極上即可從功能層發(fā)射出光。
實(shí)施例2
一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，步驟如下
I)稱取2. 4g乙酸鋅和0. 028g乙酸鈷混合溶于IlOml無(wú)水乙醇中，超聲溶解30分鐘；
2)稱取2g氫氧化鈉溶于50ml無(wú)水乙醇,超聲溶解30分鐘；
3)將步驟2所制備的氫氧化鈉溶液直接倒入步驟I制備的乙酸鋅和乙酸鈷的混合溶液磁力攪拌30分鐘，然后將所得的混合溶液置于80°C的水浴鍋中水浴加熱并磁力攪拌充分反應(yīng)2小時(shí)，最后將溶液離心分離；
4)將分離的沉淀物分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3遍，將沉淀置于鼓風(fēng)干燥箱中40°C干燥，即得到Co摻雜的ZnO發(fā)光材料。
該實(shí)施例制備的Co摻雜ZnO紅光材料的發(fā)光特性與實(shí)施例I相似。
將該Co摻雜ZnO材料用作為無(wú)機(jī)功能層，方法與實(shí)施例I基本相同，不同之處是 采用透明的聚乙烯塑料襯底上的氧化鋅鋁(AZO)作為陽(yáng)極層，電阻為20Q/口 ；并用真空蒸鍍發(fā)蒸鍍一層金電極作為器件的陰極。
實(shí)施例3
一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，步驟和工藝條件與實(shí)施例I相同， 不同之處是將步驟2中的氫氧化鈉改為相同質(zhì)量的氫氧化鉀。
該實(shí)施例制備的Co摻雜ZnO紅光材料的發(fā)光特性與實(shí)施例I相似。
將該Co摻雜ZnO材料用作為無(wú)機(jī)功能層，方法與實(shí)施例I基本相同，不同之處是 用聚乙二醇作為分散劑，將Co摻雜的ZnO納米材料分散于聚乙二醇溶劑中形成Co摻雜ZnO 的聚乙二醇溶液，然后將Co摻雜ZnO的聚乙二醇溶液旋涂在經(jīng)過超聲清洗和干燥處理過的氧化鋅鎵(GZO)透明聚乙烯塑料襯底上，GZO電極即為器件的陽(yáng)極，電阻為20Q / 口 ；采用銀鋰合金作為器件的陰極，用真空熱蒸發(fā)法制備。
實(shí)施例4
一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，步驟和工藝條件與實(shí)施例I相同，不同之處是將步驟2中的氫氧化鈉改為相同質(zhì)量的氫氧化鋰。
該實(shí)施例制備的Co摻雜ZnO紅光材料的發(fā)光特性與實(shí)施例I相似。
實(shí)施例5
一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，步驟和工藝條件與實(shí)施例I相同， 不同之處是將步驟I中的乙酸鹽改為相同質(zhì)量的硝酸鹽。
該實(shí)施例制備的Co摻雜ZnO紅光材料的發(fā)光特性與實(shí)施例I相似。
實(shí)施例6
一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，步驟和工藝條件與實(shí)施例I相同， 不同之處是將步驟I中的乙酸鹽改為相同質(zhì)量的氯化鹽。
該實(shí)施例制備的Co摻雜ZnO紅光材料的發(fā)光特性與實(shí)施例I相似。
實(shí)施例7
一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，步驟和工藝條件與實(shí)施例I相同， 不同之處是將步驟I、步驟2中的無(wú)水乙醇溶劑改為去離子水。
該實(shí)施例制備的Co摻雜ZnO紅光材料的發(fā)光特性與實(shí)施例I相似。
權(quán)利要求
1.一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法,其特征在于以具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的 ZnO為基質(zhì)，以過渡族金屬元素Co為摻雜離子，采用化學(xué)共沉淀方法制備，步驟如下1)將鋅源和摻雜源與溶劑混合，超聲溶解30分鐘，得到鋅源和摻雜源的混合前驅(qū)液；2)將共沉淀劑與同步驟I中相同的溶劑混合，超聲溶解30分鐘，得到共沉淀劑的前驅(qū)液；3)在磁力攪拌條件下將上述共沉淀劑的前驅(qū)液加入到鋅源和摻雜源的混合前驅(qū)液中， 磁力攪拌30分鐘，得到含有大量沉淀的渾濁溶液，將所得的渾濁溶液于水浴加熱條件下繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí)，最后將溶液離心分離；4)將分離后得到的沉淀物分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌3遍，干燥后，即可得到基于Co摻雜ZnO的紅光材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，其特征在于所述溶劑為無(wú)水乙醇或去離子水。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，其特征在于所述鋅源為乙酸鋅、硝酸鋅或氯化鋅，摻雜源為乙酸鈷、硝酸鈷或氯化鈷；鋅源和摻雜源的總量中鋅源的質(zhì)量百分比大于95%，余量為摻雜源，鋅源和摻雜源與溶劑的用量比為0.01-0. 05g/ml。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，其特征在于所述共沉淀劑為氫氧化鈉、氫氧化鋰或氫氧化鉀，共沉淀劑與溶劑的用量比為0. 04-0. 06g/ml。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，其特征在于所述水浴加熱溫度為70-90°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，其特征在于所述沉淀物的干燥溫度為40-60°C。
7.—種如權(quán)利要求I所述基于Co摻雜ZnO的紅光材料的應(yīng)用，其特征在于用作電致發(fā)光器件的功能層材料。
全文摘要
一種基于Co摻雜ZnO的紅光材料的制備方法，以具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO為基質(zhì)，以過渡族金屬元素Co為摻雜離子，采用化學(xué)共沉淀方法制備，步驟如下1)將鋅源和摻雜源與溶劑混合，得到混合前驅(qū)液；2)將共沉淀劑與溶劑混合，得到共沉淀劑的前驅(qū)液；3)將上述兩種前驅(qū)液混合，磁力攪拌后，在加熱條件下進(jìn)行反應(yīng)；4)將分離后得到的沉淀物分別用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌、干燥即可。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該基于Co摻雜ZnO的紅光材料具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及環(huán)境友好等特性，其制備方法工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)施、成本低，適合規(guī)?；a(chǎn)；該紅光材料顆粒小、易于分散、成膜性好，可用作電致發(fā)光器件的功能層材料。
文檔編號(hào)H01L33/50GK102533261SQ201110384810
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者吳燕宇, 張曉松, 徐建萍, 李嵐, 李美惠, 李萍, 牛喜平, 羅程遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)