本發明涉及納米材料制備技術領域，具體涉及一種無催化劑條件下制備鎂摻雜ZnO納米線的方法。

背景技術：

納米材料是半導體領域的重要材料之一，其中的一維納米材料具有很多可控參數，比如化學組分、納米線尺寸、表面特性、軸向和徑向的取向等。氧化鋅作為典型的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體，室溫下禁帶寬度為3.37eV，其激子束縛能高達60meV，具有無毒，原料豐富等特點，因此一維的ZnO基材料備受關注。

自1998年，MgZnO三元合金首次被提出之后，對該系統的研究就迅速增長。由于Mg²⁺與Zn²⁺的離子半徑非常接近，Mg對Zn的替換并不會引起很大的晶格畸變或缺陷；通過調節鎂元素的含量，可以實現禁帶寬度的有效調節。因此，人們期望通過改變合金納米線中的合金元素的成分比例和納米線的結構參數，來獲得電學性能和光學性能的可剪裁，能在紫外區任意波長范圍工作的一維納米光電子器件材料。

目前，研究鎂摻雜氧化鋅的大部分集中在薄膜材料，而針對納米線的制備相對較少；在摻雜納米線的研究中，大部分文獻顯示是通過水浴法或溶膠-凝膠法制備納米線，水浴法是在密閉的反應釜中進行，將原反應物放入溶劑中，使其在溶劑中均勻分散，然后經過高溫高壓條件促進化學反應，重新結晶。通常情況下，氧化鋅納米材料的生長溫度在90度左右，但是反應時間比較長，一般在12小時左右，另外需要在硅襯底上先生長種子層作為催化劑，才會有納米線的生成。鎂摻雜氧化鋅納米線的生長時間較長，再者，水浴法制備的納米線由于有表面缺陷，需要進行退火處理，操作麻煩。

技術實現要素：

因此，本發明提供了一種無催化劑條件下，氣相沉積法制備鎂摻雜ZnO納米線的工藝，具體采用雙溫區管式爐，在無催化劑的情況下，通過調節鎂粉、氧化鋅和碳粉的摩爾比例和納米線的生長條件的變化，制備不同鎂含量的氧化鋅納米線。

具體的，本發明提供的無催化劑條件下制備鎂摻雜ZnO納米線的方法，，包括如下步驟：

S1：采用雙溫區化學氣相沉積管式爐，低溫區為鎂源，溫度為460-960℃；高溫區為鋅源，溫度為800-1100℃；鎂源為純度為99.999％的鎂粉，鋅源為氧化鋅和碳粉的混合物，其中氧化鋅和碳粉的質量比1-2:1；

S2：將鎂粉放置在低溫區，氧化鋅和碳粉放置在高溫區，硅襯底置于管式爐中，調節雙溫區化學氣相沉積管式爐的升溫速率為20℃/min，通入由純度為99.99％的氮氣和純度為99.99％的氧氣組成的混合載氣，其中，氮氣和氧氣的流量比為99:1，當低溫區、高溫區達到各自的溫度后，繼續通氧，保溫20-40min，在硅襯底上制備出鎂摻雜ZnO納米線。

優選地，所述低溫區的溫度為520-580℃，所述高溫區的溫度為1000-1100℃。

更優選地，所述低溫區的溫度為560℃。

更優選地，所述高溫區的溫度為1000℃。

優選地，S2中，將鎂粉放置在低溫區的單開口玻璃瓶里，玻璃瓶開口背向鎂源入口，將氧化鋅和碳粉放置在高溫區的玻璃舟內。

更優選地，所述玻璃瓶放置在低溫區正中間，所述玻璃舟放置在高溫區中間。

更優選地，氧化鋅和碳粉混合均勻后放置在高溫區的玻璃舟內。

優選地，所述鋅源中鋅元素和所述鎂源中的鎂元素的反應質量比為任意質量比。

優選地，S2中，所述保溫時間為30min。

與現有技術的鎂摻雜ZnO納米線的制備方法相比，本發明提供的方法具備以下有益效果：

(1)本發明通過用雙溫區氣相沉積法制備納米線，不需要提前制備催化層，完全是無催化劑條件，在20-40min內即可制備成功，實現了納米線在無催化條件下的快速自生長，耗時短，操作簡單。

(2)因為鎂的熔點低，在500度左右，而氧化鋅和碳粉的反應溫度在800度以上。如果選用單溫爐，在500度至800度時，在氧化鋅和碳粉還沒有發生反應的時，鎂粉已經蒸發，等氧化鋅開始反應，有鋅蒸氣產生時，鎂粉因為過早的達到熔點，而被載氣帶走。因此，本發明選擇雙溫區爐，低溫區放置鎂粉，高溫區放置氧化鋅和碳的混合物，并且通過設置升溫程序，可以分別控制2個溫區的溫度，當高溫到達規定溫度時，低溫區也剛好到達規定的溫度。這樣做的優點是可以保證鎂粉不會過早蒸發而被載氣帶走，正好能夠使鎂蒸氣和鋅蒸氣在高溫區相遇，進而生長成鎂摻雜ZnO納米線。

附圖說明

圖1為本發明實施例1提供的鎂摻雜ZnO納米線的SEM掃描圖；

圖2為本發明實施例1提供的鎂摻雜ZnO納米線的EDS圖；

圖3為本發明實施例2提供的鎂摻雜ZnO納米線的SEM掃描圖；

圖4為本發明實施例2提供的鎂摻雜ZnO納米線的EDS圖。

具體實施方式

為了使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案能予以實施，下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但所舉實施例不作為對本發明的限定。

以下實施例中所涉及的相關原料，若沒有特別說明，均為市售商品，可通過購買途徑獲得，實施例中所涉及試驗方法，如有未注明具體條件的試驗方法，通常按照常規條件，或者按照各制造商或者設備說明書所建議的條件。

一種無催化劑條件下制備鎂摻雜ZnO納米線的方法，，采用雙溫區化學氣相沉積的方法制備鎂摻雜ZnO納米線，具體的制備過程包括如下步驟：

S1：采用雙溫區化學氣相沉積管式爐，低溫區為鎂源，溫度為460-960℃；高溫區為鋅源，溫度為800-1100℃；鎂源為純度為99.999％的鎂粉，鋅源為氧化鋅和碳粉的混合物，其中氧化鋅和碳粉的質量比是1-2:1；

S2：將鎂粉放置在低溫區的單開口玻璃瓶里，玻璃瓶開口背向鎂源入口，將氧化鋅和碳粉放置在高溫區的玻璃舟內，調節雙溫區化學氣相沉積管式爐的升溫速率為20℃/min，通入由純度為99.99％的氮氣和純度為99.99％的氧氣組成的混合載氣，其中，氮氣和氧氣的流量比為99:1，氧氣的流量為5mL/min，當低溫區、高溫區達到各自的溫度后，繼續通氧，保溫20-40min，停止混合載氣的通入，在硅襯底上制備出鎂摻雜ZnO納米線。

需要說明的是，所述鋅源中鋅元素和所述鎂源中的鎂元素的反應質量比為任意質量比。優選地，上述低溫區的溫度為520-580℃，上述高溫區的溫度為1000-1100℃。

需要說明的是，本發明的方法采用的雙溫區化學氣相沉積管式爐采用現有的儀器均可，比如洛陽納維特爐業有限公司生產的型號為NWTG-12DF的雙溫區管式爐。

以下就本發明的具體實施例進行具體的舉例說明。

實施例1

一種無催化劑條件下制備鎂摻雜ZnO納米線的方法，，具體的制備過程為：

采用雙溫區化學氣相沉積管式爐，低溫區為鎂源，溫度為560℃；高溫區為鋅源，溫度為1000℃；鎂源為純度為99.999％的鎂粉，鋅源為氧化鋅和碳粉的混合物，其中氧化鋅和碳粉的總質量為0.4g，且氧化鋅和碳粉的質量比是1.48:1；

管式爐內鎂粉需要放置在低溫區規格為10mm*25mm的單開口的玻璃瓶里，玻璃瓶開口背向鎂源入口，防止鎂粉提前碰到氧氣而氧化，玻璃瓶放置在低溫區正中間，將氧化鋅和碳粉放置在高溫區的玻璃舟內，玻璃舟放置在低溫區正中間，硅襯底置于管式爐中，調節雙溫區化學氣相沉積管式爐的升溫速率為20℃/min，通入由純度為99.99％的氮氣和純度為99.99％的氧氣組成的混合載氣，其中，氮氣和氧氣的流量比為99:1，氧氣的流量為5mL/min，當低溫區、高溫區達到各自的溫度后，繼續通氧，保溫30min，進行納米線的生長，停止混合載氣的通入，在硅襯底上制備出鎂摻雜ZnO納米線。

下面以實施例1制備而得的鎂摻雜ZnO納米線為例，對其相關參數進行詳細說明。

圖1是實施例1的鎂摻雜ZnO納米線的SEM掃描圖，該SEM掃描圖是樣品在用型號為JSM-7800F的場發射掃描電子顯微鏡做掃描電鏡圖，由圖1可知納米線的邊緣輪廓整齊且完整。

為了分析鎂摻雜ZnO納米線的成分，我們對實施例1制得的鎂摻雜ZnO納米線材料做了能譜分析圖，即EDS圖，結果參見圖2，對鎂摻雜ZnO納米線中的元素成分進行分析，結果如表1所示。結合圖2和表1的結果，實施例1制備的鎂摻雜ZnO納米線中鎂的含量為37.54％，鋅的含量是9.50％，碳的含量為6.43％，氧的含量為46.12％。

表1 實施例1制得的納米線中元素成分的分析結果

實施例2

一種無催化劑條件下制備鎂摻雜ZnO納米線的方法，，具體的制備過程為：

采用雙溫區化學氣相沉積管式爐，低溫區為鎂源，溫度為520℃；高溫區為鋅源，溫度為1050℃；鎂源為純度為99.999％的鎂粉，鋅源為氧化鋅和碳粉的混合物，其中氧化鋅和碳粉的總質量為0.4g，且氧化鋅和碳粉的質量比是2:1；

管式爐內鎂粉需要放置在低溫區規格為10mm*25mm的單開口的玻璃瓶里，玻璃瓶開口背向鎂源入口，防止鎂粉提前碰到氧氣而氧化，玻璃瓶放置在低溫區正中間，將氧化鋅和碳粉放置在高溫區的玻璃舟內，玻璃舟放置在低溫區正中間，調節雙溫區化學氣相沉積管式爐的升溫速率為20℃/min，通入由純度為99.99％的氮氣和純度為99.99％的氧氣組成的混合載氣，其中，氮氣和氧氣的流量比為99:1，氧氣的流量為5mL/min，當低溫區、高溫區達到各自的溫度后，繼續通氧，保溫20min，進行納米線的生長停止混合載氣的通入，在硅襯底上制備出鎂摻雜ZnO納米線。

實施例2所制得的鎂摻雜ZnO納米線的SEM掃描圖參見圖3所示，其EDS圖參見圖4所示，對實施例2所制得的鎂摻雜ZnO納米線中的元素成分進行分析，結果如表2所示。

表2 實施例2制得的納米線中元素成分的分析結果

由圖3可以看出，納米線的邊緣輪廓整齊且完整。由圖4結合表2結果可以看出，實施例1制備的鎂摻雜ZnO納米線中鎂的含量為30.13％，鋅的含量是21.42％，氧的含量為43.53％，Si的含量為4.92％。

實施例3

一種無催化劑條件下制備鎂摻雜ZnO納米線的方法，，具體的制備過程為：

采用雙溫區化學氣相沉積管式爐，低溫區為鎂源，溫度為580℃；高溫區為鋅源，溫度為1100℃；鎂源為純度為99.999％的鎂粉，鋅源為氧化鋅和碳粉的混合物，其中氧化鋅和碳粉的總質量為0.4g，且氧化鋅和碳粉的質量比是1:1；

管式爐內鎂粉需要放置在低溫區規格為10mm*25mm的單開口的玻璃瓶里，玻璃瓶開口背向鎂源入口，防止鎂粉提前碰到氧氣而氧化，玻璃瓶放置在低溫區正中間，將氧化鋅和碳粉放置在高溫區的玻璃舟內，玻璃舟放置在低溫區正中間，調節雙溫區化學氣相沉積管式爐的升溫速率為20℃/min，通入由純度為99.99％的氮氣和純度為99.99％的氧氣組成的混合載氣，其中，氮氣和氧氣的流量比為99:1，氧氣的流量為5mL/min，當低溫區、高溫區達到各自的溫度后，繼續通氧，保溫40min進行納米線的生長，停止混合載氣的通入，在硅襯底上制備出鎂摻雜ZnO納米線。

實施例1-3均采用相同方法制備。通過控制鋅源和鎂源的配比調節生長時間，可實現鎂摻雜氧化鋅納米線中，鎂含量在氧化鋅中的可控摻雜。

以上所述實施例僅是為充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，其保護范圍不限于此。本技術領域的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明的保護范圍之內，本發明的保護范圍以權利要求書為準。