Zn1－x Al x O粉末样品的制备及结构表征

吕宝华，李玉珍，胡娟娟

（1.运城学院应用化学系，山西运城 044000；2.运城学院机电公共实验中心，山西运城 044000）

Zn1－xAlxO粉末样品的制备及结构表征

吕宝华1，李玉珍2，胡娟娟1

（1.运城学院应用化学系，山西运城 044000；2.运城学院机电公共实验中心，山西运城 044000）

采用固相反应法制备了Zn1－xAlxO粉末样品。通过X射线衍射（XRD）和红外光谱（IR）对粉体的结构和光学性能进行了表征。结果表明：随着Al掺杂浓度逐渐加大，样品ZnO（101）衍射峰的峰位向高衍射角方向移动，x＝0.024样品的晶粒大小随温度的升高而增大；通过FT－IR发现Al掺杂样品在427.78 cm－1和487.39 cm－1附近出现了Zn－O的吸收带，表现出良好的红外吸收特性。

氧化锌；铝掺杂；红外吸收

ZnO是一种新型的宽禁带半导体氧化物材料，具有优异的导电性、导热性、化学稳定性及良好的紫外吸收性能等。通常采用不同元素进行掺杂来进一步改善ZnO材料的性能。 Al掺杂ZnO材料（ZAO）因其良好的光学特性及价廉、环保及在氢等离子中稳定性好等优点，受到人们的广泛关注[1－2]。现在已有多种方法来制备Al掺杂ZnO，如均匀沉淀法[3]、溶胶－凝胶法[4－5]、喷雾热分解法[6]和磁控溅射法[7－8]等。目前关于ZAO薄膜的研究很多，而对固相反应法[9]制备Al掺杂ZnO粉末样品的报道还很少见。我们采用固相反应法制备了不同ZAO样品，详细研究了Al掺杂量、退火温度对样品晶粒尺寸和红外吸收的影响。

1 实验方法

1.1 仪器与试剂

Y－2000型X仪射线衍射仪（XRD）（丹东奥龙射线仪器有限公司）；TENSOR27傅里叶红外光谱仪（德国布鲁克公司）；KSW型箱式电阻炉（沈阳市节能电炉厂）。

Al2O3，ZnO，均为分析纯（99.96%）。

1.2 实验方法

按一定比例的Al2O3与ZnO称取原料，将配好的粉料进行研磨，研磨时间为3 h。将研磨好的Zn1－xAlxO样品放入电阻炉进行热处理，烧结结束后使样品随炉冷却。样品结构采用X仪射线衍射仪来表征，扫描速度为0.03°蛐s，扫描角度25°～80°。红外光谱通过红外光谱仪来测定：样品用KBr压片，在400～4000 cm－1波长范围进行测试。

2 结果与讨论

图1为不同Al掺杂的Zn1－xAlxO粉末样品在退火温度为900℃时的XRD图。从图中可以看出，所有样品都出现了ZnO（100）、（002）、（101）、（102）、（110）和（103）等衍射峰，确定实验所制备的粉末样品具有六角特征的纤锌矿ZnO晶体结构。而且所有样品只出现了ZnO衍射峰，未观测到Al及其氧化物的衍射峰，这表明在制备ZAO粉体过程中掺杂的铝元素进入到ZnO晶格的内部，取代Zn2＋的位置形成了氧空位和间隙原子，形成了Al蛐ZnO固溶体。

图1 不同Al掺杂浓度的Zn1-x AlxO粉料的XRD谱图

因为粉末ZnO的主衍射峰为（101）峰，所以还比较了ZnO（101）主衍射峰的位置大小。图2为不同样品中ZnO（101）峰的偏移图，从图中可以明显看到掺杂了Al的ZnO（101）衍射峰较没有掺杂Al的（101）衍射峰向大角度方向发生了移动。分析是因为Al的原子半径比Zn原子小，根据布拉格方程：2dsinθ＝nλ，当Al3＋部分取代Zn2＋进入ZnO晶格时将引起ZnO主要衍射峰的偏移[5]。

图2 不同样品中ZnO（101）峰的偏移图

图3为不同退火温度的 Zn0.976Al0.024O粉料的XRD图谱。从图中可以看到，无论温度高低都没有看到Al及其氧化物的衍射峰，说明温度不会影响到Al取代Zn的位置。通过谢乐公式D＝0.89λ蛐（Bs· COSθ）计算了样品的晶粒尺寸大小。其中D为样品的颗粒尺寸；λ为X射线波长；Bs为衍射峰半高宽；θ为主衍射峰的衍射角。图4为不同In掺杂量退火600℃后与晶粒尺寸大小的关系图。从图中可以看到：随着温度的升高，样品晶粒尺寸逐渐增大。这说明Al3＋进入ZnO内部形成固溶体后，升高温度能使氧化锌晶体生长速度加快，粉体的粒径增大。

另外，通过对样品进行近红外吸收测试得到了吸收曲线，见图5。从图中看出，3 437.98 cm－1附近的吸收峰归于样品在压片时吸附的湿气导致的O－H基团伸缩振动的吸收峰，1 641.23 cm－1与H－O－H弯曲振动有关。427.78 cm－1附近的吸收带对应于Zn－O的晶格振动，掺杂了Al的样品在487.39 cm－1附近又出现了一个吸收带，这主要因为，Al进入ZnO晶格中，与O2－形成共价键，打破了ZnO原有的对称性，使得红外非活性振动变为红外活性振动，从而使晶格振动能级发生变化[10-12]，导致吸收的变化。

图3 不同退火温度的Zn0.976Al0.024O的XRD谱

图4 Zn0.976Al0.024O粉末样品的晶粒尺寸与温度的变化关系图

图5 Zn1-x Al x O粉料退火900℃后的红外光谱

3 结论

1）采用固相反应法制备了六方纤锌矿结构Zn1－xAlxO粉末样品。XRD结果表明，Al掺杂浓度在x=0.040范围内，样品Al3+可以很好地取代Zn2+的位置；Zn0.976Al0.024O粉末样品的晶粒尺寸随温度升高而逐渐变大。

2）通过对样品的中远红外波段特性进行检测，Al掺杂样品在487.39 cm－1附近出现了Zn－O的分裂吸收带。

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Preparation and Characterization of Zn1－xAlxO Powder Sam ples

LU¨Bao－hua1，LIYu－zhen2，HU Juan－juan1
（1.Department of Applied Chemistry，Yuncheng University，Yuncheng Shanxi，044000；2.Electrical and Mechanical Public Experiment Center，Yuncheng University，Yuncheng Shanxi，044000）

The Zn1－xAlxO powder samples were prepared by solid state reaction.The structure and optical properties of powderswere characterized by X－ray diffraction（XRD）and infrared spectroscopy（IR）.The results showed that as concentration of Al－doped increasd，the ZnO（001）diffraction peak ofsamplesmoved tohigherdiffraction angle，and thegrain sizeofsample（x=0.024）increased with increasing temperature.FT－IR spectra showed that Zn－O absorption band of Al－doped sample appeared near 427.78 cm－1and 487.39 cm－1，showing better features of infrared absorption.

Zinc oxide；Aluminum doped；infrared absorption 〔责任编辑 杨德兵〕

O611.4

A

1674－0874（2012）01－0037－03

2011－09－28

运城学院院级科研资助项目[2009007]

吕宝华（1982－），男，山西文水人，硕士，讲师，研究方向：无机材料合成及表征。