稀土元素?fù)诫s氧化鋅研究

張欣影（梅河口市第五中學(xué), 吉林 梅河口135000）

稀土元素?fù)诫s氧化鋅研究

張欣影
（梅河口市第五中學(xué), 吉林 梅河口135000）

摘 要：概述了近幾年稀土元素?fù)诫s氧化鋅制備的研究進(jìn)展，著重介紹了稀土摻雜氧化鋅納米材料和氧化鋅薄膜的制備方法，并對其未來發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：稀土元素；氧化鋅；摻雜；制備方法

0 引言

ZnO是Ⅱ—Ⅵ族寬帶隙半導(dǎo)體氧化物，在自然條件下最穩(wěn)定的存在結(jié)構(gòu)為六角鋅礦結(jié)構(gòu)，目前，ZnO已經(jīng)成為繼ZnSe和GaN之后最受關(guān)注的短波長半導(dǎo)體材料。ZnO室溫條件禁帶寬度約為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV,而且由于氧化鋅物理化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，具有優(yōu)異的光電、壓電、氣敏等方面的綜合特性，因而在很多應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間，例如紫外探測器、發(fā)光二極管、表面聲波器材、傳感器、太陽能電池等。

目前,ZnO 研究仍然是光電子器件材料領(lǐng)域的重點(diǎn)方向之一，ZnO原料容易得到、且價格不貴、又沒有毒性,制備方法簡單多樣,而且其性能穩(wěn)定,所以成為目前研究的熱點(diǎn)之一,尤其關(guān)于它發(fā)光性能的研究更是倍受重視，因此氧化鋅也被譽(yù)為“第三代半導(dǎo)體材料”。

1　選用稀土元素作為ZnO摻雜劑的依據(jù)

摻雜通過使ZnO能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度發(fā)生變化，實現(xiàn)摻雜后ZnO具有區(qū)別于本征ZnO的新特性。在眾多摻雜元素研究中稀土摻雜是摻雜體系研究中的重點(diǎn)方向，這與稀土元素自身的原子結(jié)構(gòu)密不可分。稀土元素原子具有特殊的4f層電子結(jié)構(gòu)，原子磁矩相對較大、自旋耦合較強(qiáng)，由于其4f組態(tài)未配對電子的自旋運(yùn)動和軌道運(yùn)動的相互作用，導(dǎo)致大量的磁性信息的產(chǎn)生，而電子在f-f組態(tài)內(nèi)或在f-d之間的能級對躍遷，將產(chǎn)生大量的吸收和熒光信息。由于具備這些特有的磁信息和光信息，使得稀土元素具有區(qū)別于一般元素的磁、電、光等特性,這些性質(zhì)成為合成具有特定功能的新型材料的重要保障。

2　稀土摻雜ZnO研究方法

目前，關(guān)于運(yùn)用稀土元素?fù)诫s氧化鋅的制備方法的研究還不多，主要有以下幾種：物理氣相沉積法（包括射頻磁控濺射法、直流磁控濺射法、離子輔助沉積法及離子鍍等）、化學(xué)氣相沉積法、脈沖激光沉積法、分子束外延法、溶膠凝膠法和溶劑熱法等。

沉淀法是在含有離子的可溶性鹽溶液中加入沉淀劑，誘發(fā)水解反應(yīng)形成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或鹽類析出物，通過水洗或其他溶劑清洗去除溶劑或溶液中原有的陰離子，在通過熱水解或脫水處理，最終得到ZnO納米顆粒材料.沉淀法工藝簡單，成本低，反應(yīng)時間短，反應(yīng)溫度低。吳莉莉，吳佑實等 —共沉淀法制備了稀土鑭（La）、鈰(Ce)摻雜的ZnO半導(dǎo)體納米晶實驗。辛顯雙，周百斌等用該法制備了摻銪(Eu)納米ZnO。范學(xué)運(yùn)，王艷香等用沉淀法制備了稀土鑭(La)和釔(Y)摻雜ZnO納米粉。雖然沉淀法受到研究者的喜愛，但這種方法仍有許多不足之處，比如它的產(chǎn)物純度偏低，而且顆粒粒徑偏大，沉淀物常常是膠狀物，因而清洗、過濾非常困難，導(dǎo)致產(chǎn)物易發(fā)生團(tuán)聚。

溶劑熱法通常在密閉的不銹鋼反應(yīng)釜中進(jìn)行，常見采用水溶液作為反應(yīng)體系，在高溫環(huán)境下，在反應(yīng)體系中產(chǎn)生高壓環(huán)境，這是無機(jī)合成與材料制備的一種有效方法。溶劑熱法較一般濕化學(xué)法制備的樣品純度相對較高、分散性好，而且不需要進(jìn)行高溫煅燒處理，避免了粉體硬團(tuán)聚的產(chǎn)生。郎集會、李雪等研究了稀土元素Ce摻雜ZnO納米棒的水熱法制備實驗。

尹貽彬，邵鑫等研究了鑭摻雜ZnO納米顆粒的水熱法制備。雖然水熱法操作簡單，但水熱法所得產(chǎn)物的發(fā)光強(qiáng)度較弱，所以還有待改進(jìn)。

溶膠-凝膠法的主要原理如下：將金屬醇鹽或無機(jī)鹽類水解得到均相溶膠,而后通過加入溶劑、催化劑、螯合劑等形成水溶膠,在通過加熱或其他條件下轉(zhuǎn)為均勻凝膠,最后進(jìn)行干燥、熱處理,得到納米粉體產(chǎn)物。趙桂英，潘麗珍等研究了稀土銪(Eu)摻雜的ZnO薄膜。用二水乙酸鋅和硝酸銪作前驅(qū)物,選用乙二醇甲醚、無水乙醇作為溶劑,單乙醇胺用作穩(wěn)定劑，最終成果得到Eu摻雜的ZnO薄膜，并對產(chǎn)物的基本性質(zhì)進(jìn)行了研究。溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是過程容易控制,可以精確控制摻雜量，無需高溫條件即可得到純度較高、粒徑分布均勻的單、多組分混合物。但溶膠-凝膠法還存在不足之處，如反應(yīng)時間較長，煅燒過程容易使產(chǎn)物發(fā)生團(tuán)聚和斷裂。

通過上面介紹的，全部關(guān)于制備氧化鋅的例子我們可以發(fā)現(xiàn)每一種方法都有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，比如沉淀法就比較適合在普通實驗室進(jìn)行，是一種適合初學(xué)研究者的方法，而如果實驗需要高純度和高精確性時，就可以用到溶膠-凝膠法。研究者可以通過自己的需要以及實驗的條件來合適的選擇實驗方法，從而達(dá)到事半功倍的效果。

3　結(jié)語

稀土元素?fù)诫sZnO材料由于潛在的應(yīng)用性能而廣受關(guān)注，隨著研究的展開，目前此方面的制備技術(shù)正在不斷發(fā)展和完善,已經(jīng)通過眾多的物理和化學(xué)方法制備出各種各樣的ZnO材料。但還有諸多制備問題有待解決,如ZnO納米顆粒中激活劑的分布、分凝問題,越過界面時能量傳遞機(jī)制的改變,聲-電子的相互作用與體材料的不同等。因而,通過發(fā)展改進(jìn)，采用多種制備技術(shù)復(fù)合的手段,輔助高分辨率的光譜研究,探索和建立稀土元素?fù)诫sZnO稀磁材料的理論和實驗制備體系研究,得到顆粒小且分布均勻、晶度高、物理化學(xué)穩(wěn)定性好、光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異的ZnO材料仍是今后努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]郎集會，李雪，高銘等.摻雜納米棒的水熱法制備及其性能表征[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報,2010.

[2]尹貽彬，邵鑫，姜林林等.鑭摻雜氧化鋅納米顆粒的制備及其光學(xué)性能研究[J]，聊城大學(xué)學(xué)報,2008.

[3]吳莉莉，吳佑實，皺科等.La、Ce摻雜ZnO納米晶的發(fā)光特性[J],發(fā)光學(xué)報,2008.

[4]辛顯雙,周百斌,呂數(shù)臣等.摻銪納米氧化鋅的制備及其發(fā)旋旋光性質(zhì)[J].物理學(xué)報,2005.

[5]范學(xué)運(yùn),王艷香,章義來等.稀土摻雜氧化鋅的制備及其性能研究[J].人工晶體學(xué)報,2008.