[发明专利]石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料及其制备方法

说明书

本发明属于人工晶体领域，具体涉及一种石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料及其制备方法，所述石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料过在氧化镓中掺杂质量浓度为0.005％～0.03％的石墨烯量子点，具有高电导率特性，同时热导性好，适合用作普通的固体激光工作物质、可调谐激光器或超快激光器或自调Q固体激光器的增益介质。

技术领域

本发明属于人工晶体领域，具体涉及一种石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料及其制备方法。

背景技术

β-Ga₂O₃是一种直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度约为4.8～4.9eV。它具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度快、热导率高、击穿场强高、化学性质稳定等诸多优点，从深紫外(DUV)到红外区域(IR)都是透明的，与传统透明导电材料(TCOs)相比，可以制备波长更短的新一代半导体光电器件。

一般情况下，纯的β-Ga₂O₃由于在生长时形成氧空位会变为n型半导体，但导电性较弱，其电阻率一般在200Ω·cm以上。为了提高β-Ga₂O₃的n型导电能力，目前主要通过掺杂IIIA族、IVA族以及IVB族的Si，Sn和Ti等离子来实现，但由于掺杂浓度及生长技术的限制，目前IIIA族、IVA族以及IVB族单掺杂对导电性的提高有限。为了实现氧化镓材料在光电子器件方面的应用，寻找更好的掺杂方式，从而进一步提高氧化镓晶体的导电性，具有重要的应用价值。

石墨烯量子点是二维尺寸小于100纳米的石墨烯，因为量子效应和边界效应，表现出优异的光电子学和热学性质。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料。本发明人通过反复的实验研究，发现通过在氧化镓中掺杂质量浓度为0.005％～0.03％的石墨烯量子点，具有高电导率特性，同时热导性好，适合用作普通的固体激光工作物质、可调谐激光器或超快激光器或自调Q固体激光器的增益介质。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料，包括β-Ga₂O₃基质材料，所述晶体材料中石墨烯量子点的掺杂质量分数为0.005％～0.03％。

在一些优选的实施方案中，本发明的石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料，包括β-Ga₂O₃基质材料，所述晶体材料中石墨烯量子点的掺杂质量分数为0.01％～0.02％。

在另一些优选的实施方案中，本发明的石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料，包括β-Ga₂O₃基质材料，所述晶体材料中石墨烯量子点的掺杂质量分数为0.02％。

本发明发现，石墨烯量子点的掺杂量对制得的晶体材料的性能影响很大，当掺杂量低于0.005％时，制得的晶体导电性无明显改善；当掺杂量高于0.03％时，掺杂不均匀，只有当掺杂量为0.005％～0.03％时，尤其为0.02％时，制得的晶体材料电导率性能最佳。

第二方面，本发明提供本发明石墨烯量子点掺杂氧化镓晶体材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将丙醇锆溶解于其5～10倍质量的乙醇中，搅拌下加入体积比为3:2的乙酰丙酮/水混合溶剂，室温下静置老化2～3天，制得涂层凝胶，所述乙醇和乙酰丙酮/水混合溶剂的体积比为25～40:1；

步骤2：将石墨烯量子点加入步骤1所得涂层凝胶中，搅拌均匀后，60℃干燥8～24h；

步骤3：重复步骤2 3～5次，500℃下烘烤30min，制得氧化锆涂层涂覆的石墨烯量子点；