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納米氧化鋅摻雜后對性質的影響_

納米氧化鋅摻雜后對性質的影響

發布時間:2021-12-16


ZnO納米材料的可控合成是實現材料性能調控與應用的基礎。ZnO納米材料真正走向應用領域,首先需要解決的就是ZnO納米材料的可控合成問題,以獲得尺寸、形貌、結構、單分散和重復性等穩定可靠的ZnO納米材料。針對這個問題,人們發展了多種物理和化學的手段來合成ZnO納米材料,如氣相的熱蒸發法[1-3]、化學氣相沉積法[4-7]、脈沖激光沉積法[8-9]和液相的水熱法[10-12]、溶劑熱法[13-15]、溶膠凝膠法[16-17]、模板法[18]和微乳液法匯[19-20]等。ZnO納米材料具有極為豐富的形貌和結構。迄今為止,人們已經成功地合成了各種形貌的ZnO納米結構,如零維的納米點[4],一維的納米線[11]、納米棒[10·23]、納米管[23-24]和納米帶「2],二維的米片[25],此外還有一些復雜的形貌如tetrapod[26-29]和納米梳[30-32]等。 

ZnO納米材料的摻雜 

半導體中的摻雜是指人為地將雜質原子引入到本征半導體中,以調控半導體電學、磁學等材料性能的目的。在半導體工業中根據摻雜原子在半導體中的含量,摻雜可以分為輕摻和重摻,其中輕摻的雜質濃度在10-8數量級,而重摻的雜質濃度在0.1%數量級。當摻雜原子的濃度更高時,一般稱為半導體的合金化,如SIGe、AIGaN和CuInSe:等。在研究半導體低維納米材料的摻雜問題時,通常納米材料中摻雜原子的濃度在千分之幾到百分之幾,有時可以達到10%以上,實際上已形成了合金,但是與傳統的半導體工業所有不同,在納米材料中引入特定的雜質時,一般對摻雜和合金化不作細致的劃分,本文中沿用摻雜這個概念在ZnO納米材料中通過引入特定的雜質原子可以有效地調控其光學、電學和磁性等材料性能,接下來將針對ZnO納米材料中的摻雜現狀作介紹。 

Mg、cd等摻雜 

在ZnO納米材料進行Mg或Cd的摻雜,可以在納米尺度實現ZnO的能帶工程[33-43]。Wu等人[36]采用金屬有機化學氣相沉積方法阿(MOCVD)在高溫下成功地制備了Mg摻雜的ZnO納米棒陣列,他們系統地研究了Mg摻雜引起的ZnO納米棒能帶調節現象,Mg在ZnO納米棒中的摻雜濃度可達到16.5at.%。該方法的主要問題是Mg的金屬有機源種類非常有限,同時MOCVD需要使用昂貴的高真空設備和較高的生長溫度,在一定程度上限制了其發展。 

為了降低生長溫度,Lee等[44]人利用水熱方法在75一100℃生長了Mg摻雜的ZnO納米線,Mg的含量可以達到25at.%,其光學禁帶寬度在3.21一  3.95eV之間可調,但是較低溫度下生長的Mg摻雜zno納米線的形貌和結晶質量不夠理想。 

Ghosh等人[45]報道了采用低溫水熱的方法可以合成Cd摻雜的ZnO納米晶,隨著Cd摻雜濃度的增加,可以觀察到明顯的吸收邊紅移現象,但是實驗發現容易出現CdO的分相,需要經過分離提純才能得到Cd摻雜的ZnO納米晶。 

O’Brien等人[46]將金屬有機鹽在三辛胺有機溶劑中進行熱分解反應,得到了Mg摻雜和Cd摻雜的Zno納米晶,通過Cd或Mg的摻雜,ZnO納米晶的光學禁帶寬度可以在2.92一3.77eV之間可調,該方法的優點是反應溫度不高,獲得的摻雜ZnO納米晶具有很好的結晶質量和可調的光學性能,但是形貌與尺寸可控性不夠理想。 

Mn、Ni、Co、Fe等過渡元素摻雜 

將含有3d電子的Mn、Ni、Co和Fe等過渡元素摻雜引入到ZnO材料中,可以形成所謂的稀磁半導體,稀磁半導體可能會對未來的信息存儲技術帶來變革。迄今為止,關于ZnO納米材料中Mn、Ni、CO和Fe等元素摻雜和相關性能的文獻報道較多[47-68]。 

Kang等人[50]通過氣相熱蒸發的方法制備了Mn摻雜的ZnO納米線。Mn的摻雜濃度可以在5-20at.%之間調節,研究發現Mn原子成功地進入到ZnO的晶格并占據Zn的替代位置,X射線吸收測試表明Mn摻雜的ZnO納米線在室溫下具有鐵磁性。 

Wang等人[68]報道了大面積襯底上生長的Ni摻雜ZnO納米棒陣列,具有優異的晶體質量和改善的電學性能,為研究Ni摻雜ZnO納米材料中的磁性性能提供了基礎。 

HenS等人[69]報道了Co摻雜濃度為2at.%的ZnO量子點,研究發現一部分Co原子進入ZnO晶格并占據Zn的替代位置,大部分的Co原子(50一60%)僅僅吸附在量子點的表面,此外還有一部分Co原子進入ZnO的晶格并處于間隙位置。Palomino等人[70]合成了單分散性較好的Fe摻雜ZnO納米晶,尺寸約6一8nm,研究發現Fe摻雜ZnO納米晶的磁性性能與納米晶的成分和尺寸密切相關。Inamdar等人[71]合成了Co摻雜和Mn、Co共摻雜的ZnO納米晶,研究發現ZnO納米晶中的磁性性能與ZnO納米晶中的缺陷密切相關。 

AI、Ga等摻雜 

通過Ⅲ族元素如Al
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