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納米氧化鋅摻雜后對性質(zhì)的影響
發(fā)布時(shí)間：2021-12-16
ZnO納米材料的可控合成是實(shí)現(xiàn)材料性能調(diào)控與應(yīng)用的基礎(chǔ)。ZnO納米材料真正走向應(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)、單分散和重復(fù)性等穩(wěn)定可靠的ZnO納米材料。針對這個(gè)問題，人們發(fā)展了多種物理和化學(xué)的手段來合成ZnO納米材料，如氣相的熱蒸發(fā)法[1-3]、化學(xué)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(jié)構(gòu)。迄今為止，人們已經(jīng)成功地合成了各種形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)，如零維的納米點(diǎn)[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(fù)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(dǎo)體中的摻雜是指人為地將雜質(zhì)原子引入到本征半導(dǎo)體中，以調(diào)控半導(dǎo)體電學(xué)、磁學(xué)等材料性能的目的。在半導(dǎo)體工業(yè)中根據(jù)摻雜原子在半導(dǎo)體中的含量，摻雜可以分為輕摻和重?fù)?，其中輕摻的雜質(zhì)濃度在10-8數(shù)量級，而重?fù)降碾s質(zhì)濃度在0.1%數(shù)量級。當(dāng)摻雜原子的濃度更高時(shí)，一般稱為半導(dǎo)體的合金化，如SIGe、AIGaN和CuInSe:等。在研究半導(dǎo)體低維納米材料的摻雜問題時(shí)，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(shí)可以達(dá)到10%以上，實(shí)際上已形成了合金，但是與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工業(yè)所有不同，在納米材料中引入特定的雜質(zhì)時(shí)，一般對摻雜和合金化不作細(xì)致的劃分，本文中沿用摻雜這個(gè)概念在ZnO納米材料中通過引入特定的雜質(zhì)原子可以有效地調(diào)控其光學(xué)、電學(xué)和磁性等材料性能，接下來將針對ZnO納米材料中的摻雜現(xiàn)狀作介紹。
Mg、cd等摻雜
在ZnO納米材料進(jìn)行Mg或Cd的摻雜，可以在納米尺度實(shí)現(xiàn)ZnO的能帶工程[33-43]。Wu等人[36]采用金屬有機(jī)化學(xué)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(tǒng)地研究了Mg摻雜引起的ZnO納米棒能帶調(diào)節(jié)現(xiàn)象，Mg在ZnO納米棒中的摻雜濃度可達(dá)到16.5at.%。該方法的主要問題是Mg的金屬有機(jī)源種類非常有限，同時(shí)MOCVD需要使用昂貴的高真空設(shè)備和較高的生長溫度，在一定程度上限制了其發(fā)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(dá)到25at.%，其光學(xué)禁帶寬度在3.21一 3.95eV之間可調(diào)，但是較低溫度下生長的Mg摻雜zno納米線的形貌和結(jié)晶質(zhì)量不夠理想。
Ghosh等人[45]報(bào)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(xiàn)象，但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)容易出現(xiàn)CdO的分相，需要經(jīng)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(jī)鹽在三辛胺有機(jī)溶劑中進(jìn)行熱分解反應(yīng)，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(xué)禁帶寬度可以在2.92一3.77eV之間可調(diào)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)溫度不高，獲得的摻雜ZnO納米晶具有很好的結(jié)晶質(zhì)量和可調(diào)的光學(xué)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?fù)诫s
將含有3d電子的Mn、Ni、Co和Fe等過渡元素?fù)诫s引入到ZnO材料中，可以形成所謂的稀磁半導(dǎo)體，稀磁半導(dǎo)體可能會對未來的信息存儲技術(shù)帶來變革。迄今為止，關(guān)于ZnO納米材料中Mn、Ni、CO和Fe等元素?fù)诫s和相關(guān)性能的文獻(xiàn)報(bào)道較多[47-68]。
Kang等人[50]通過氣相熱蒸發(fā)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(diào)節(jié)，研究發(fā)現(xiàn)Mn原子成功地進(jìn)入到ZnO的晶格并占據(jù)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(bào)道了大面積襯底上生長的Ni摻雜ZnO納米棒陣列，具有優(yōu)異的晶體質(zhì)量和改善的電學(xué)性能，為研究Ni摻雜ZnO納米材料中的磁性性能提供了基礎(chǔ)。
HenS等人[69]報(bào)道了Co摻雜濃度為2at.%的ZnO量子點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)一部分Co原子進(jìn)入ZnO晶格并占據(jù)Zn的替代位置，大部分的Co原子(50一60%)僅僅吸附在量子點(diǎn)的表面，此外還有一部分Co原子進(jìn)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(fā)現(xiàn)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(guān)。Inamdar等人[71]合成了Co摻雜和Mn、Co共摻雜的ZnO納米晶，研究發(fā)現(xiàn)ZnO納米晶中的磁性性能與ZnO納米晶中的缺陷密切相關(guān)。
AI、Ga等摻雜
通過Ⅲ族元素如Al
