稀土元素掺杂氧化锌研究

张欣影（梅河口市第五中学, 吉林 梅河口135000）

稀土元素掺杂氧化锌研究

张欣影
（梅河口市第五中学, 吉林 梅河口135000）

摘 要：概述了近几年稀土元素掺杂氧化锌制备的研究进展，着重介绍了稀土掺杂氧化锌纳米材料和氧化锌薄膜的制备方法，并对其未来发展趋势及应用前景进行了展望。

关键词：稀土元素；氧化锌；掺杂；制备方法

0 引言

ZnO是Ⅱ—Ⅵ族宽带隙半导体氧化物，在自然条件下最稳定的存在结构为六角锌矿结构，目前，ZnO已经成为继ZnSe和GaN之后最受关注的短波长半导体材料。ZnO室温条件禁带宽度约为3.37eV，激子束缚能高达60meV,而且由于氧化锌物理化学性质相对稳定，具有优异的光电、压电、气敏等方面的综合特性，因而在很多应用领域具有广阔的发展空间，例如紫外探测器、发光二极管、表面声波器材、传感器、太阳能电池等。

目前,ZnO 研究仍然是光电子器件材料领域的重点方向之一，ZnO原料容易得到、且价格不贵、又没有毒性,制备方法简单多样,而且其性能稳定,所以成为目前研究的热点之一,尤其关于它发光性能的研究更是倍受重视，因此氧化锌也被誉为“第三代半导体材料”。

1　选用稀土元素作为ZnO掺杂剂的依据

掺杂通过使ZnO能带结构和载流子浓度发生变化，实现掺杂后ZnO具有区别于本征ZnO的新特性。在众多掺杂元素研究中稀土掺杂是掺杂体系研究中的重点方向，这与稀土元素自身的原子结构密不可分。稀土元素原子具有特殊的4f层电子结构，原子磁矩相对较大、自旋耦合较强，由于其4f组态未配对电子的自旋运动和轨道运动的相互作用，导致大量的磁性信息的产生，而电子在f-f组态内或在f-d之间的能级对跃迁，将产生大量的吸收和荧光信息。由于具备这些特有的磁信息和光信息，使得稀土元素具有区别于一般元素的磁、电、光等特性,这些性质成为合成具有特定功能的新型材料的重要保障。

2　稀土掺杂ZnO研究方法

目前，关于运用稀土元素掺杂氧化锌的制备方法的研究还不多，主要有以下几种：物理气相沉积法（包括射频磁控溅射法、直流磁控溅射法、离子辅助沉积法及离子镀等）、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、分子束外延法、溶胶凝胶法和溶剂热法等。

沉淀法是在含有离子的可溶性盐溶液中加入沉淀剂，诱发水解反应形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类析出物，通过水洗或其他溶剂清洗去除溶剂或溶液中原有的阴离子，在通过热水解或脱水处理，最终得到ZnO纳米颗粒材料.沉淀法工艺简单，成本低，反应时间短，反应温度低。吴莉莉，吴佑实等 —共沉淀法制备了稀土镧（La）、铈(Ce)掺杂的ZnO半导体纳米晶实验。辛显双，周百斌等用该法制备了掺铕(Eu)纳米ZnO。范学运，王艳香等用沉淀法制备了稀土镧(La)和钇(Y)掺杂ZnO纳米粉。虽然沉淀法受到研究者的喜爱，但这种方法仍有许多不足之处，比如它的产物纯度偏低，而且颗粒粒径偏大，沉淀物常常是胶状物，因而清洗、过滤非常困难，导致产物易发生团聚。

溶剂热法通常在密闭的不锈钢反应釜中进行，常见采用水溶液作为反应体系，在高温环境下，在反应体系中产生高压环境，这是无机合成与材料制备的一种有效方法。溶剂热法较一般湿化学法制备的样品纯度相对较高、分散性好，而且不需要进行高温煅烧处理，避免了粉体硬团聚的产生。郎集会、李雪等研究了稀土元素Ce掺杂ZnO纳米棒的水热法制备实验。

尹贻彬，邵鑫等研究了镧掺杂ZnO纳米颗粒的水热法制备。虽然水热法操作简单，但水热法所得产物的发光强度较弱，所以还有待改进。

溶胶-凝胶法的主要原理如下：将金属醇盐或无机盐类水解得到均相溶胶,而后通过加入溶剂、催化剂、螯合剂等形成水溶胶,在通过加热或其他条件下转为均匀凝胶,最后进行干燥、热处理,得到纳米粉体产物。赵桂英，潘丽珍等研究了稀土铕(Eu)掺杂的ZnO薄膜。用二水乙酸锌和硝酸铕作前驱物,选用乙二醇甲醚、无水乙醇作为溶剂,单乙醇胺用作稳定剂，最终成果得到Eu掺杂的ZnO薄膜，并对产物的基本性质进行了研究。溶胶-凝胶法的优点是过程容易控制,可以精确控制掺杂量，无需高温条件即可得到纯度较高、粒径分布均匀的单、多组分混合物。但溶胶-凝胶法还存在不足之处，如反应时间较长，煅烧过程容易使产物发生团聚和断裂。

通过上面介绍的，全部关于制备氧化锌的例子我们可以发现每一种方法都有它的优点和缺点，比如沉淀法就比较适合在普通实验室进行，是一种适合初学研究者的方法，而如果实验需要高纯度和高精确性时，就可以用到溶胶-凝胶法。研究者可以通过自己的需要以及实验的条件来合适的选择实验方法，从而达到事半功倍的效果。

3　结语

稀土元素掺杂ZnO材料由于潜在的应用性能而广受关注，随着研究的展开，目前此方面的制备技术正在不断发展和完善,已经通过众多的物理和化学方法制备出各种各样的ZnO材料。但还有诸多制备问题有待解决,如ZnO纳米颗粒中激活剂的分布、分凝问题,越过界面时能量传递机制的改变,声-电子的相互作用与体材料的不同等。因而,通过发展改进，采用多种制备技术复合的手段,辅助高分辨率的光谱研究,探索和建立稀土元素掺杂ZnO稀磁材料的理论和实验制备体系研究,得到颗粒小且分布均匀、晶度高、物理化学稳定性好、光学性质优异的ZnO材料仍是今后努力的方向。

参考文献：

[1]郎集会，李雪，高铭等.掺杂纳米棒的水热法制备及其性能表征[J].吉林师范大学学报,2010.

[2]尹贻彬，邵鑫，姜林林等.镧掺杂氧化锌纳米颗粒的制备及其光学性能研究[J]，聊城大学学报,2008.

[3]吴莉莉，吴佑实，皱科等.La、Ce掺杂ZnO纳米晶的发光特性[J],发光学报,2008.

[4]辛显双,周百斌,吕数臣等.掺铕纳米氧化锌的制备及其发旋旋光性质[J].物理学报,2005.

[5]范学运,王艳香,章义来等.稀土掺杂氧化锌的制备及其性能研究[J].人工晶体学报,2008.