稀土元素摻雜氧化鋅研究

張欣影（梅河口市第五中學, 吉林 梅河口135000）

稀土元素摻雜氧化鋅研究

張欣影
（梅河口市第五中學, 吉林 梅河口135000）

摘 要：概述了近幾年稀土元素摻雜氧化鋅制備的研究進展，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，并對其未來發展趨勢及應用前景進行了展望。

關鍵詞：稀土元素；氧化鋅；摻雜；制備方法

0 引言

ZnO是Ⅱ—Ⅵ族寬帶隙半導體氧化物，在自然條件下最穩定的存在結構為六角鋅礦結構，目前，ZnO已經成為繼ZnSe和GaN之后最受關注的短波長半導體材料。ZnO室溫條件禁帶寬度約為3.37eV，激子束縛能高達60meV,而且由于氧化鋅物理化學性質相對穩定，具有優異的光電、壓電、氣敏等方面的綜合特性，因而在很多應用領域具有廣闊的發展空間，例如紫外探測器、發光二極管、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域的重點方向之一，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,而且其性能穩定,所以成為目前研究的熱點之一,尤其關于它發光性能的研究更是倍受重視，因此氧化鋅也被譽為“第三代半導體材料”。

1　選用稀土元素作為ZnO摻雜劑的依據

摻雜通過使ZnO能帶結構和載流子濃度發生變化，實現摻雜后ZnO具有區別于本征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方向，這與稀土元素自身的原子結構密不可分。稀土元素原子具有特殊的4f層電子結構，原子磁矩相對較大、自旋耦合較強，由于其4f組態未配對電子的自旋運動和軌道運動的相互作用，導致大量的磁性信息的產生，而電子在f-f組態內或在f-d之間的能級對躍遷，將產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別于一般元素的磁、電、光等特性,這些性質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，關于運用稀土元素摻雜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，誘發水解反應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，反應時間短，反應溫度低。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。范學運，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，導致產物易發生團聚。

溶劑熱法通常在密閉的不銹鋼反應釜中進行，常見采用水溶液作為反應體系，在高溫環境下，在反應體系中產生高壓環境，這是無機合成與材料制備的一種有效方法。溶劑熱法較一般濕化學法制備的樣品純度相對較高、分散性好，而且不需要進行高溫煅燒處理，避免了粉體硬團聚的產生。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，但水熱法所得產物的發光強度較弱，所以還有待改進。

溶膠-凝膠法的主要原理如下：將金屬醇鹽或無機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為均勻凝膠,最后進行干燥、熱處理,得到納米粉體產物。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物,選用乙二醇甲醚、無水乙醇作為溶劑,單乙醇胺用作穩定劑，最終成果得到Eu摻雜的ZnO薄膜，并對產物的基本性質進行了研究。溶膠-凝膠法的優點是過程容易控制,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，如反應時間較長，煅燒過程容易使產物發生團聚和斷裂。

通過上面介紹的，全部關于制備氧化鋅的例子我們可以發現每一種方法都有它的優點和缺點，比如沉淀法就比較適合在普通實驗室進行，是一種適合初學研究者的方法，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，從而達到事半功倍的效果。

3　結語

稀土元素摻雜ZnO材料由于潛在的應用性能而廣受關注，隨著研究的展開，目前此方面的制備技術正在不斷發展和完善,已經通過眾多的物理和化學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,通過發展改進，采用多種制備技術復合的手段,輔助高分辨率的光譜研究,探索和建立稀土元素摻雜ZnO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、物理化學穩定性好、光學性質優異的ZnO材料仍是今后努力的方向。

參考文獻：

[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].吉林師范大學學報,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性能研究[J]，聊城大學學報,2008.

[3]吳莉莉，吳佑實，皺科等.La、Ce摻雜ZnO納米晶的發光特性[J],發光學報,2008.

[4]辛顯雙,周百斌,呂數臣等.摻銪納米氧化鋅的制備及其發旋旋光性質[J].物理學報,2005.

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