[发明专利]磁性掺杂的氧化锌微米结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性掺杂的氧化锌微米结构及其制备方法，具体涉及一种磁性元素锰、铁、钴、镍中的至少一种掺杂的氧化锌微米结构及其制备方法，属于半导体材料制备技术领域。

背景技术

氧化锌是Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体，带隙为3.45 eV，具有较高的激子束缚能(60 mV)。作为一种宽禁带半导体材料，氧化锌还具有许多优异特性，如化学稳定性、压电、光电特性，高的电荷迁移率等，在场发射显示器、高击穿强度气敏传感器、光催化、发光二极管和太阳能电池等领域有着广泛的应用前景。氧化锌还是迄今为止发现的微纳米材料中形貌最为丰富的材料之一。ZnO 晶体具有极性生长特征，过渡族金属离子容易对其掺杂，且物理性质独特，为了进一步提高其性能并实现实际应用，近年来，人们开始广泛研究过渡族金属离子掺杂ZnO微纳米材料(空心球形、棒状、带状、花状、管状等)。

1999 年，Fukumura 等用脉冲激光沉积（PLD）方法制备了 Mn 掺杂的氧化锌薄膜，报道了Zn0.64Mn0.36O薄膜的磁学性质。当测试温度为10K时，出现了自旋玻璃体行为。这一结论与Sato和Katayama-Yoshida预测出的空穴会导致反铁磁性到铁磁有序性的转变这一结论一致。2001年Ueda等第一次用PLD方法在蓝宝石基片上制备得到了n型Co掺杂ZnO薄膜之后，Co掺杂对ZnO结构及其光学和磁学等性质的影响引起了人们的广泛研究。Hernandez 等采用溶

胶-凝胶法制备了 ZnO-Fe₂O₃，发现掺入少量 Fe₂O₃可以减小ZnO的禁带宽度， 提高光催化降解KCN的活性。目前世界上很多一流的大学和实验室都在对过渡金属掺杂ZnO基半导体材料进行研究，但是该材料的研究还处于起步阶段，由于制备技术和手段的不同，报道磁性掺杂的较少，特别是对一些特殊形貌ZnO微米颗粒的掺杂报道的更少。

水热法制备磁性金属掺杂氧化锌半导体材料不仅可以解决目前大部分制备方法需要较高的技术条件以及复杂的工艺过程等问题，还可以为氧化锌稀磁半导体铁磁性起因的解释提供证据，有很好的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种磁性掺杂的氧化锌微米结构，该微米结构结晶度高，具有头对头生长的形貌，粒径和形貌可控性好。

本发明还提供了该磁性掺杂的氧化锌微米结构的制备方法，该方法简单易行，解决了现有方法中技术条件和工艺过程要求较高的不足。

本发明具体技术方案如下：

一种磁性掺杂的氧化锌微米结构，其特征是：由两个形状和大小相同或基本相同的、头对头生长的晶粒组成，成分包括氧化锌和磁性元素，所述磁性元素为锰、铁、钴和镍中的至少一种，磁性元素的掺杂量为氧化锌的0.5-20mol%。

上述微米结构，两个晶粒头对头生长，所形成的形貌主要为双层的六方柱状或双层的圆柱状，偶尔会有少量的多层的六方柱状。

上述微米结构中，所述磁性元素均匀的掺杂在氧化锌中。

上述磁性掺杂的氧化锌微米结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）称取锌盐，按照磁性元素的摩尔掺杂比例为氧化锌的0.5~15 %称取磁性元素的水溶性盐，将锌盐和磁性元素的水溶性盐混合，加水溶解，再加入乙二醇，搅拌得透明溶液；

（2）将步骤(1)的透明溶液移入反应釜中，在120~200℃密闭保温反应4~15小时；

（3）反应结束后，将沉淀离心分离、洗涤，得磁性掺杂的氧化锌微米结构。

上述制备方法中，所述磁性元素的原料为锰盐、铁盐、钴盐和镍盐中的至少一种。

上述制备方法中，步骤（1）中，所述锌盐为锌的醋酸盐、硫酸盐、硝酸盐或氯化物；所述磁性元素的水溶性盐为磁性元素的醋酸盐、硫酸盐、硝酸盐或氯化物。

上述制备方法中，步骤（1）中，溶解锌盐和磁性元素的水溶性盐所用的水与乙二醇的体积比为1:1~10。

上述制备方法中，步骤（1）中，锌盐在透明溶液中的浓度为0.01~0.1 mol/L。

上述制备方法中，步骤（1）中，将锌盐和磁性元素的水溶性盐加入水中，搅拌15min后，再加入乙二醇。

本发明将锌和掺杂元素的盐与加入乙二醇中进行反应制备磁性掺杂的氧化锌，乙二醇和各种盐在水热条件下反应得到乙二醇金属盐，然后乙二醇金属盐再分解形成掺杂的氧化锌。整个制备过程中锌盐的浓度、水和乙二醇的体积比、掺杂元素的浓度都对产品的结晶度、形貌规则度、掺杂均匀度有较大影响，必须控制这些条件才能得到好的产品。