[发明专利]一种铜掺杂控制ZnS纳米材料形貌和物相的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种铜掺杂控制ZnS纳米材料形貌和物相的方法。

背景技术

ZnS作为一种重要的II-VI族半导体材，一直受到人们的重视，在光电器件、生物传感器、光电催化、太阳能材料等领域有着广阔的应用前景。ZnS具有宽带隙(不同晶体结构的能隙不一样)，能在高温条件下工作等优点，可以用来制作非线性光电器件、蓝绿激光器件、光电探测器和核辐射探测器等。

纳米结构的ZnS材料具有如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等许多宏观材料不具备的特异性能，在光学、电子学、磁学等领域有广阔的应用前景，但其具体应用受到物相、形貌和尺寸等因素的限制。因此对ZnS纳米材料的不同物相、形貌和尺寸的控制一直是半导体材料研究的热点。ZnS半导体纳米材料常用的制备方法主要有热蒸发法、外延生长法、电沉积法、化学气相沉积法和水热法。例如Wright等人在1982年用CVD法制备了ZnS:Mn薄膜，该方法复杂而且要在高温下反应物才能分解，参阅J crystal Growth 59卷155页。Sekhar C Ray等人在1988年用的浸渍法制备了Zn_xCd_1-xS薄膜，但是该方法只适合小面积制备薄膜，而且纯度不高参阅ThinSolid Films 32卷117-122页。而水热法由于工艺简单有效，成本低，设备简单，可生长稳定性好高质量的多晶或非晶半导体材料，并且极易掺杂等特点，成为制备ZnS纳米材料的首选方法。

ZnS具有两种晶体结构，即立方相(禁带宽度为3.72eV)的闪锌矿结构和六方相(禁带宽度为3.8eV)的纤锌矿结构。闪锌矿ZnS为低温稳定相，纤锌矿ZnS为高温稳定相。自然界中稳定存在的是闪锌矿ZnS，在1020℃闪锌矿ZnS转变成纤锌矿ZnS，而在低温下很难得到纤锌矿ZnS。通过不同方法合成不同形貌闪锌矿和纤锌矿结构ZnS材料的报道很多。例如：1996年ILYU等人制备了Mn掺杂ZnS纳米颗粒，将颗粒的大小控制在2.3到2.7nm之间，参阅J.Phys.Chem.Solids.第4卷第373-379页。孙远光在他的硕士学位论文里通过掺Cu来改变物质的内部能带结构，形成各种不同的发光能级，发现随锌硫比的增大和时间的延长，其发光强度先增强减弱。

由以上可以看到修饰ZnS，已经引起了研究热潮，研究工作大多是针对ZnS纳米材料的物相或者形貌单一方面的研究，且采用较为复杂的实验操作方法，需要多方控制，而关于在同一体系中简单控制ZnS的物相及形貌的研究较少。本实验采取的掺杂方法是直接把Cu粉作为掺杂物，通过改变Cu的量来控制物相及形貌，方法简便，而且在较低温度下获得了纤锌矿ZnS。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜掺杂控制ZnS纳米材料形貌和物相的方法。

本发明是通过以下工艺过程实现的：

以PVP作为表面活性剂，水合肼作为溶剂，分析纯的Zn(CH₃COO)₂·2H₂O、(NH₂)CS和Cu粉作为反应材料。0.3g PVP和40ml水合肼(约占内衬总体积的80％)置于清洗干净的反应釜中，放入磁子充分搅拌形成透明溶液。然后按摩尔比将分别为1∶4∶1和1∶4∶0.6将Zn(CH₃COO)₂·2H₂O，(NH₂)CS和Cu粉放入准备好的两个反应釜里，继续搅拌5～10分钟。最后将反应釜置于160℃环境中反应24h。反应结束后将反应釜自然冷却至室温，用去离子水和无水乙醇多次清洗去除过量的硫脲和其余副产物。最后在60℃的真空干燥箱中干燥6h以收集产物。所得产物即为六方结构和立方结构的ZnS纳米材料。

本发明制备出的ZnS纳米材料分别为六方结构和立方结构，如图1所示，其表面形貌如图3，第二种情况如图2所示，其表面形貌如图4。本实验采用Zn(CH₃COO)₂·2H₂O，(NH₂)CS和Cu粉作为反应材料。同时，本发明的方法简单，易于推广，适合于大规模的工业生产。

附图说明

图1为产品1的XRD图谱。

图3为产品1的扫描电镜图片。

图2为产品2的XRD图谱。

图4为产品2的扫描电镜图片。

具体实施方式

实施例1