專利名稱：一種鋁摻雜氧化鋅納米線的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電信息功能材料領(lǐng)域，涉及一種氣相沉積方法摻雜氧化鋅納米材料 的制備方法。
背景技術(shù)：
透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體薄膜(TCO)由于其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)特性，已經(jīng)被運(yùn)用 到很多領(lǐng)域，如壓電換能器、光電顯示器、太陽能電池、氣敏傳感器及光波導(dǎo)等。 目前發(fā)展最為成熟的TCO為Iri203.'Sn (ITO)，其靶材制備與成膜工藝都已完善，處于 產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段，但是這種材料存在以下不足之處(1) ITO中In的價(jià)格昂貴，造成 ITO的成本比較高；(2) ITO薄膜制備過程中要求較高的基體溫度，這限制了薄膜的 使用范圍；(3) ITO薄膜中的In在含氫的等離子體中易還原而使薄膜性能降低。近年 來隨著氧化鋅(ZnO)的制備和摻雜技術(shù)逐漸成熟，摻鋁ZnO (ZnO:Al, ZAO)透明 導(dǎo)電薄膜被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ谋∧げ牧现弧ＥcITO相比，新型透明導(dǎo)電ZAO薄 膜具有與ITO相近的光電憐性，而且具有沉積溫度低、原料豐富、價(jià)格低廉、無毒無 污染等優(yōu)勢(shì)，非常適用于太陽能電池透明電極，有可能取代ITO電極，推動(dòng)廉價(jià)太陽 能電池的發(fā)展，因而受到許多研究者的關(guān)注。隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，Al摻雜 ZnO納米材料也逐漸引起廣大研究者的興趣。Bai等采用水熱法合成出ZAO納米線 [S.N. Bai, H.H. Tsai， T.Y. Tseng, Stuctural and optical properties of Al-doped ZnO nanowires synthesized by hydrothermal method, Thin Solid Films, 516 (2007) 155-8]; Rahm等采用碳熱還原法制備出ZAO二維納米墻和納米薄片[A. Rahm, G.W. Yang, M. Lorenz, T. Nobis, J. Lenzner， G. Wagner, M. Grundmann, Two-dimensional ZnO:Al nanosheets and nanowalls obtained by Al2O3-assisted carbothermal evaporation, Thin Solid Films, 486 (2005) 191-4]。徐迪等采用溶膠一凝膠的方法制備出ZAO納米棒[徐 迪，段學(xué)臣，李中蘭，朱協(xié)彬，水熱法制備摻鋁氧化鋅納米棒陣列及其光學(xué)特性， 功能材料，39(2008)695-7]。采用化學(xué)氣相沉積方法制備的納米材料具有純度高、結(jié) 晶性好等優(yōu)點(diǎn)。采用該方法制備ZAO的納米材料也有報(bào)道，如Lin等先采用金屬有機(jī) 物氣相沉積方法制備出ZnO薄膜作為襯底，然后在其上面生長(zhǎng)A據(jù)雜ZnO納米棒[S.S. Lin， H.P. Tang, Z.Z. Ye, H.P. He, Y丄Zeng， B.H. Zhao, L.P. Zhu, Materials Letters 62
(2008) 603-6]。唐斌等采用氣相沉積的方法合成出ZAO納米線陣列[唐斌，鄧宏，稅 正偉，韋敏，陳金菊，郝昕，摻AlZnO納米線陣列的光致發(fā)光特性研究，物理學(xué)報(bào)， 56 (2007) 5176-9],但是已經(jīng)報(bào)道的制備方法要么工序繁多，要么合成溫度比較高 (1400°C)，而且采用了復(fù)雜的真空設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單合成Al摻雜ZnO納米線的方法，該方法無需真空設(shè) 備，只需在常壓條件下就可以合成出Al摻雜的ZnO納米線，而且合成溫度也比較低， 只有800 850。C，從而可以大大降低生產(chǎn)成本。
通過本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以獲得直徑為40 370 nm，長(zhǎng)達(dá)30 150 Wn的Al 摻雜ZnO納米線。
為了實(shí)現(xiàn)這樣的目的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，由如下步驟實(shí)現(xiàn)
1、 采用硅片作為接收襯底，將硅片分別在酒精和丙酮中進(jìn)行清洗；
2、 以Zn粉和Al粉為蒸發(fā)源，相鄰放置在三氧化二鋁舟中，清洗后的硅片放置 在蒸發(fā)源的正上方，距離源的垂直距離為1 2rnm，然后將舟放入水平管式爐中；
3、 將管式爐升溫至800°C~850°C，保溫45~60 min。在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，爐腔 內(nèi)始終充入40-50 ml/min的氬氣。生長(zhǎng)結(jié)束后管式爐自然冷卻到室溫。取出硅片， 在硅片表面沉積有Al摻雜ZnO納米線。
Al摻雜ZnO納米線中Al的摻雜含量為1 7 at.% 。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、 目前制備鋁摻雜氧化鋅納米材料的氣相沉積方法一般都采用真空設(shè)備來合成 納米線。真空設(shè)備本身價(jià)格相對(duì)比較昂貴，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求條件比較高，操作 工藝比較復(fù)雜，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明設(shè)備簡(jiǎn)單，無需采用復(fù)雜的真空系統(tǒng)， 工藝具備可重復(fù)性，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
2、 本發(fā)明合成溫度比較低，只有800 85(TC，可以明顯節(jié)約能源。
3、 本發(fā)明將Zn粉和Al粉緊緊相鄰放置，并沒有將Zn和Al粉混合。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 混合后的A1很不容易摻雜進(jìn)去。另外，如果Al和Zn源之間有一定的間隙，那么由 于A1的蒸汽壓比較低，擴(kuò)散距離比較短，同樣不易摻雜進(jìn)去。因此，本發(fā)明Zn粉 和Al粉的放置位置可以保證Al較容易摻雜入ZnO中。
4、 本發(fā)明具有在開放體系中易于控制、成本低的特點(diǎn)。該方法的制備工藝易操
作， 一步完成，產(chǎn)率高，對(duì)環(huán)境無污染，適用范圍廣。


圖l娃襯底上樣品的掃描電鏡圖譜。
圖2樣品的能譜圖。
圖3樣品的X射線衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
1、 采用硅片作為接收襯底，將硅片分別在酒精和丙酮中進(jìn)行清洗。
2、 以Zn粉和Al粉為蒸發(fā)源，相鄰放置在三氧化二鋁舟中；清洗后的硅片放置 在蒸發(fā)源的正上方，距離源的垂直距離為1 mm，然后將舟放入水平管式爐中。
3、 將管式爐升溫至800'C，保溫45min。在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，爐腔內(nèi)始終充入 40ml/min的氬氣。生長(zhǎng)結(jié)束后管式爐自然冷卻到室溫。取出樣品，在硅片表面沉積 有Al摻雜ZnO納米線。
產(chǎn)物的掃描電鏡結(jié)果如圖l所示，產(chǎn)物由納米線組成。納米線的直徑為40 370 nm，長(zhǎng)30 150陶。圖2為產(chǎn)物的能譜圖，由圖可知，Al摻雜ZnO納米線中Al的 摻雜含量約為6at.。/。。采用X射線衍射儀測(cè)量產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物為六方ZnO單 相結(jié)構(gòu)(圖3)，說明Al的摻雜并沒有形成夾雜相。
實(shí)施例2
1、 采用硅片作為接收襯底，將硅片分別在酒精和丙酮中進(jìn)行清洗。
2、 以Zn粉和Al粉為蒸發(fā)源，相鄰放置在三氧化二鋁舟中；清洗后的硅片放置 在蒸發(fā)源的正上方，距離源的垂直距離為1 mm，然后將舟放入水平管式爐中。
3、 將管式爐升溫至810'C，保溫50min。在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，爐腔內(nèi)始終充入 50ml/min的氬氣。生長(zhǎng)結(jié)束后管式爐自然冷卻到室溫。取出樣品，在硅片表面沉積 有Al摻雜ZnO納米線。Al摻雜ZnO納米線中Al的摻雜含量為2 at.%。
實(shí)施例3
1、 采用硅片作為接收襯底，將硅片分別在酒精和丙酮中進(jìn)行清洗。
2、 以Zn粉和Al粉為蒸發(fā)源，相鄰放置在三氧化二鋁舟中；清洗后的硅片放置 在蒸發(fā)源的正上方，距離源的垂直距離為2mm，然后將舟放入水平管式爐中。
3、 將管式爐升溫至850。C，保溫60min。在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，爐腔內(nèi)始終充入
50ml/min的氬氣。生長(zhǎng)結(jié)束后管式爐自然冷卻到室溫。取出樣品，在硅片表面沉積 有Al摻雜ZnO納米線。Al摻雜ZnO納米線中Al的摻雜含量為7 at. % 。 實(shí)施例4
1、 采用硅片作為接收襯底，將硅片分別在酒精和丙酮中進(jìn)行清洗。
2、 以Zn粉和Al粉為蒸發(fā)源，相鄰放置在三氧化二鋁舟中；清洗后的硅片放置 在蒸發(fā)源的正上方，距離源的垂直距離為1 mm，然后將舟放入水平管式爐中。
3、 將管式爐升溫至82(TC，保溫45min。在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，爐腔內(nèi)始終充入 43ml/min的氬氣。生長(zhǎng)結(jié)束后管式爐自然冷卻到室溫。取出樣品，在硅片表面沉積 有Al摻雜ZnO納米線。Al摻雜ZnO納米線中Al的摻雜含量為4 at. % 。
權(quán)利要求
1.一種鋁摻雜氧化鋅納米線的制備方法，采用硅片作為接收襯底，將硅片分別在酒精和丙酮中進(jìn)行清洗，其特征在于，以Zn粉和Al粉為蒸發(fā)源，相鄰放置在三氧化二鋁舟中，清洗后的硅片放置在蒸發(fā)源的正上方，距離源的垂直距離為1～2mm，然后將舟放入水平管式爐中；將管式爐升溫至800℃～850℃，保溫45～60min，在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，爐腔內(nèi)始終充入40～50ml/min的氬氣，生長(zhǎng)結(jié)束后管式爐自然冷卻到室溫，取出硅片，在硅片表面沉積有Al摻雜ZnO納米線。
2、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，Al摻雜ZnO納米線中Al的慘 雜含量為l 7at.%。
全文摘要
一種鋁摻雜氧化鋅納米線的制備方法，屬于光電信息功能材料領(lǐng)域。本方法以Zn粉和Al粉為蒸發(fā)源，相鄰放置在三氧化二鋁舟中，清洗后的硅片放置在蒸發(fā)源的正上方，距離源的垂直距離為1～2mm，然后將舟放入水平管式爐中；將管式爐升溫至800℃～850℃，保溫45～60min，在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，爐腔內(nèi)始終充入40～50ml/min的氬氣，生長(zhǎng)結(jié)束后管式爐自然冷卻到室溫，取出硅片，在硅片表面沉積有Al摻雜ZnO納米線。本方法無需真空設(shè)備，只需在常壓條件下就可以合成出直徑為40～370nm，長(zhǎng)達(dá)30～150μm的Al摻雜ZnO納米線，而且合成溫度低，從而大大降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)C01G9/00GK101372356SQ20081022459
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月21日
發(fā)明者崔興達(dá), 常永勤, 超 鄭 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)