一种铝掺杂氧化锌纳米线的制备方法

摘要

一种铝掺杂氧化锌纳米线的制备方法，属于光电信息功能材料领域。本方法以Zn粉和Al粉为蒸发源，相邻放置在三氧化二铝舟中，清洗后的硅片放置在蒸发源的正上方，距离源的垂直距离为1～2mm，然后将舟放入水平管式炉中；将管式炉升温至800℃～850℃，保温45～60min，在整个生长过程中，炉腔内始终充入40～50ml/min的氩气，生长结束后管式炉自然冷却到室温，取出硅片，在硅片表面沉积有Al掺杂ZnO纳米线。本方法无需真空设备，只需在常压条件下就可以合成出直径为40～370nm，长达30～150μm的Al掺杂ZnO纳米线，而且合成温度低，从而大大降低了生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于光电信息功能材料领域，涉及一种气相沉积方法掺杂氧化锌纳米材料的制备方法。

背景技术

透明导电氧化物半导体薄膜(TCO)由于其独特的光学、电学特性，已经被运用到很多领域，如压电换能器、光电显示器、太阳能电池、气敏传感器及光波导等。目前发展最为成熟的TCO为In₂O₃:Sn(ITO)，其靶材制备与成膜工艺都已完善，处于产业化生产阶段，但是这种材料存在以下不足之处：(1)ITO中In的价格昂贵，造成ITO的成本比较高；(2)ITO薄膜制备过程中要求较高的基体温度，这限制了薄膜的使用范围；(3)ITO薄膜中的In在含氢的等离子体中易还原而使薄膜性能降低。近年来随着氧化锌(ZnO)的制备和掺杂技术逐渐成熟，掺铝ZnO(ZnO:Al，ZAO)透明导电薄膜被认为是最具发展潜力的薄膜材料之一。与ITO相比，新型透明导电ZAO薄膜具有与ITO相近的光电特性，而且具有沉积温度低、原料丰富、价格低廉、无毒无污染等优势，非常适用于太阳能电池透明电极，有可能取代ITO电极，推动廉价太阳能电池的发展，因而受到许多研究者的关注。随着纳米科学与技术的发展，Al掺杂ZnO纳米材料也逐渐引起广大研究者的兴趣。Bai等采用水热法合成出ZAO纳米线[S.N.Bai，H.H.Tsai，T.Y.Tseng，Stuctural and optical properties of Al-doped ZnOnanowires synthesized by hydrothermal method，Thin Solid Films，516(2007)155-8]；Rahm等采用碳热还原法制备出ZAO二维纳米墙和纳米薄片[A.Rahm，G.W.Yang，M.Lorenz，T.Nobis，J.Lenzner，G.Wagner，M.Grundmann，Two-dimensional ZnO:Alnanosheets and nanowalls obtained by Al₂O₃-assisted carbothermal evaporation，ThinSolid Films，486(2005)191-4]。徐迪等采用溶胶—凝胶的方法制备出ZAO纳米棒[徐迪，段学臣，李中兰，朱协彬，水热法制备掺铝氧化锌纳米棒阵列及其光学特性，功能材料，39(2008)695-7]。采用化学气相沉积方法制备的纳米材料具有纯度高、结晶性好等优点。采用该方法制备ZAO的纳米材料也有报道，如Lin等先采用金属有机物气相沉积方法制备出ZnO薄膜作为衬底，然后在其上面生长Al掺杂ZnO纳米棒[S.S.Lin，H.P.Tang，Z.Z.Ye，H.P.He，Y.J.Zeng，B.H.Zhao，L.P.Zhu，Materials Letters 62(2008)603-6]。唐斌等采用气相沉积的方法合成出ZAO纳米线阵列[唐斌，邓宏，税正伟，韦敏，陈金菊，郝昕，掺AlZnO纳米线阵列的光致发光特性研究，物理学报，56(2007)5176-9]，但是已经报道的制备方法要么工序繁多，要么合成温度比较高(1400℃)，而且采用了复杂的真空设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单合成Al掺杂ZnO纳米线的方法，该方法无需真空设备，只需在常压条件下就可以合成出Al掺杂的ZnO纳米线，而且合成温度也比较低，只有800～850℃，从而可以大大降低生产成本。

通过本发明提供的技术方案可以获得直径为40～370nm，长达30～150μm的Al掺杂ZnO纳米线。

为了实现这样的目的，在本发明的技术方案中，由如下步骤实现：

1、采用硅片作为接收衬底，将硅片分别在酒精和丙酮中进行清洗；

2、以Zn粉和Al粉为蒸发源，相邻放置在三氧化二铝舟中，清洗后的硅片放置在蒸发源的正上方，距离源的垂直距离为1～2mm，然后将舟放入水平管式炉中；

3、将管式炉升温至800℃～850℃，保温45～60min。在整个生长过程中，炉腔内始终充入40～50ml/min的氩气。生长结束后管式炉自然冷却到室温。取出硅片，在硅片表面沉积有Al掺杂ZnO纳米线。

Al掺杂ZnO纳米线中Al的掺杂含量为1～7at.％。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、目前制备铝掺杂氧化锌纳米材料的气相沉积方法一般都采用真空设备来合成纳米线。真空设备本身价格相对比较昂贵，而且对实验条件要求条件比较高，操作工艺比较复杂，不适合工业化生产。本发明设备简单，无需采用复杂的真空系统，工艺具备可重复性，适合于工业化生产。

2、本发明合成温度比较低，只有800～850℃，可以明显节约能源。

3、本发明将Zn粉和Al粉紧紧相邻放置，并没有将Zn和Al粉混合。实验发现混合后的Al很不容易掺杂进去。另外，如果Al和Zn源之间有一定的间隙，那么由于Al的蒸汽压比较低，扩散距离比较短，同样不易掺杂进去。因此，本发明Zn粉和Al粉的放置位置可以保证Al较容易掺杂入ZnO中。

4、本发明具有在开放体系中易于控制、成本低的特点。该方法的制备工艺易操作，一步完成，产率高，对环境无污染，适用范围广。

附图说明

图1硅衬底上样品的扫描电镜图谱。

图2样品的能谱图。

图3样品的X射线衍射图谱。

具体实施方式

实施例1

1、采用硅片作为接收衬底，将硅片分别在酒精和丙酮中进行清洗。

2、以Zn粉和Al粉为蒸发源，相邻放置在三氧化二铝舟中；清洗后的硅片放置在蒸发源的正上方，距离源的垂直距离为1mm，然后将舟放入水平管式炉中。

3、将管式炉升温至800℃，保温45min。在整个生长过程中，炉腔内始终充入40ml/min的氩气。生长结束后管式炉自然冷却到室温。取出样品，在硅片表面沉积有Al掺杂ZnO纳米线。

产物的扫描电镜结果如图1所示，产物由纳米线组成。纳米线的直径为40～370nm，长30～150μm。图2为产物的能谱图，由图可知，Al掺杂ZnO纳米线中Al的掺杂含量约为6at.％。采用X射线衍射仪测量产物的结构，发现产物为六方ZnO单相结构(图3)，说明Al的掺杂并没有形成夹杂相。

实施例2

1、采用硅片作为接收衬底，将硅片分别在酒精和丙酮中进行清洗。

2、以Zn粉和Al粉为蒸发源，相邻放置在三氧化二铝舟中；清洗后的硅片放置在蒸发源的正上方，距离源的垂直距离为1mm，然后将舟放入水平管式炉中。

3、将管式炉升温至810℃，保温50min。在整个生长过程中，炉腔内始终充入50ml/min的氩气。生长结束后管式炉自然冷却到室温。取出样品，在硅片表面沉积有Al掺杂ZnO纳米线。Al掺杂ZnO纳米线中Al的掺杂含量为2at.％。

实施例3

1、采用硅片作为接收衬底，将硅片分别在酒精和丙酮中进行清洗。

2、以Zn粉和Al粉为蒸发源，相邻放置在三氧化二铝舟中；清洗后的硅片放置在蒸发源的正上方，距离源的垂直距离为2mm，然后将舟放入水平管式炉中。

3、将管式炉升温至850℃，保温60min。在整个生长过程中，炉腔内始终充入50ml/min的氩气。生长结束后管式炉自然冷却到室温。取出样品，在硅片表面沉积有Al掺杂ZnO纳米线。Al掺杂ZnO纳米线中Al的掺杂含量为7at.％。

实施例4

1、采用硅片作为接收衬底，将硅片分别在酒精和丙酮中进行清洗。

2、以Zn粉和Al粉为蒸发源，相邻放置在三氧化二铝舟中；清洗后的硅片放置在蒸发源的正上方，距离源的垂直距离为1mm，然后将舟放入水平管式炉中。

3、将管式炉升温至820℃，保温45min。在整个生长过程中，炉腔内始终充入43ml/min的氩气。生长结束后管式炉自然冷却到室温。取出样品，在硅片表面沉积有Al掺杂ZnO纳米线。Al掺杂ZnO纳米线中Al的掺杂含量为4at.％。