一種提高Zn-Mg合金中Mg含量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米材料制備和能帶工程技術(shù)，特別是一種提高Zn-Mg合金中Mg含量 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 寬禁帶半導(dǎo)體ZnO(帶隙3. 37eV)具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能，在氣體傳感，太陽 能電池，光催化等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。但隨著ZnO納米材料的發(fā)展，單一 ZnO納米材料已經(jīng) 不能滿足材料應(yīng)用的需求，因此基于能帶工程的摻雜技術(shù)成為一個(gè)優(yōu)越的選擇。由于Mg2+ 和Zn2+的離子半徑比較接近，且MgO帶隙高達(dá)7. 8eV，進(jìn)而Mg x0納米材料的帶隙理論上 在3. 37eV~7. 8eV之間連續(xù)可調(diào)，同時(shí)兼具ZnO和MgO優(yōu)異性能，使其在紫外光電探測(cè)器、 光學(xué)傳感器及光催化具有廣泛應(yīng)用。
[0003] 目前，鋅鎂合金化的方法主要包括化學(xué)氣相沉積法，溶膠-凝膠法，脈沖激光沉積 法等。M. Trunk 等（Deep level related photoluminescence in ZnMgO, Applied Physics Letters. 2010, 97, 211901)采用化學(xué)氣相沉積法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)制備出MgxZni x0薄 膜，所得MgxZni x0薄膜均勻性好，結(jié)晶度高，但該制備方法反應(yīng)溫度高，容易引起晶粒粗 大，生成脆性相，使材料性能變壞。Kumar等（Investigation of phase segregation in ZnlxMgx0 systems, Current Applied Physics. 2012, 12, 1166-1172.)米用溶膠-凝 膠法制備MgxZni x0薄膜，該方法生產(chǎn)成本低，鍍膜效率好，均勻性好，但是制備過程所需 時(shí)間長(zhǎng)，且凝膠中存在大量微乳，干燥時(shí)會(huì)釋放氣體產(chǎn)生收縮。Kim等（Fabrication of Mg-doped ZnO thin films by laser ablation of Zn:Mg target, Applied Surface Science. 2009, 255, 5264-5266.)采用脈沖激光沉積法制備MgxZni x0薄膜，該方法成膜裝著 簡(jiǎn)單靈活，薄膜成分均勻，生長(zhǎng)效率高，但這種方法沉積的薄膜純度不高，還不能有效解決 Mg固溶度的問題，即該方法還存在提高M(jìn)g在ZnO中的固溶度而不發(fā)生相分離的缺陷。此外， 由于上述方法所存的缺陷，所得產(chǎn)物在較低Mg摻雜濃度（固溶度為37%)時(shí)即出現(xiàn)相分 離，進(jìn)而限制了材料本身的發(fā)展與應(yīng)用。（MgxZnl-x0 as a II-VIwide-gap semiconductor alloy, Applied Physics Letters, 1998, 72, 2466 - 2468.)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種提高Zn-Mg合金中Mg含量的方法，即提高了 Zn-Mg合金 中Mg固溶度。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種提高Zn-Mg合金中Mg含量的方法，采 用在去離子水中，液相激光燒蝕不同原子百分比的高純Zn-Mg合金靶材，然后通過離心、干 燥，制備不同Mg含量的MgxZr^ x0納米顆粒，其具體包括如下步驟：
[0006] 步驟1、在石英器皿中加入去離子水和預(yù)處理后的Zn-Mg合金靶材；
[0007] 步驟2、用激光器對(duì)Zn-Mg合金靶材進(jìn)行燒蝕，在燒蝕過程中不斷攪拌，得到 激光燒蝕產(chǎn)物，激光器的工藝參數(shù)設(shè)定如下：脈沖寬度l〇ns，激光能量密度為6. 37J/ (cm2 · pulse)，重復(fù)頻率10Hz，聚焦半徑2mm ;
[0008] 步驟3、將激光燒蝕獲得的乳濁液離心、干燥，即獲得不同Mg含量的MgxZ ni x0納米 顆粒，X的取值為0. 22~0. 69。
[0009] 步驟1中，211-1%合金靶材純度>99.9%，其原子百分比為190:10~50 :50&七％; 石英器皿中，加入的去離子水到預(yù)處理后的Zn-Mg合金靶材表面的距離為2~4mm。
[0010] 步驟2中，激光器選用1064nm Nd-YAG激光器，攪拌速率為80-90rad/min，攪拌時(shí) 間為2h。
[0011] 步驟3中，離心速率為9000rpm/min，離心時(shí)間為3min，干燥溫度為60°C，干燥時(shí)間 為 12h〇
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：1)本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單快速、重復(fù)性好、 綠色無污染；2)本發(fā)明能提高合金中Mg固溶度，并突破均相合金化組分極限值和帶隙極限 值；3)本發(fā)明所得到的Mg xZni x0納米顆粒純度高、組分可控、產(chǎn)物尺寸小、形貌均一、穩(wěn)定性 好。
【附圖說明】
[0013] 圖1為發(fā)明實(shí)例1-5和對(duì)照例1制備的Mgxzni x0納米顆粒的XRD圖。
[0014] 圖2為發(fā)明實(shí)例1制備的MgQ.22ZnQ. 7S0納米顆粒的TEM圖。
[0015] 圖3為發(fā)明實(shí)例1-5制備的MgxZni x0納米顆粒的UV-vis圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 采用簡(jiǎn)單一步法制備不同Mg含量的MgxZni x0納米顆粒。首先在去離子水中激光 燒蝕預(yù)處理后的不同原子百分比的高純Zn-Mg合金靶材，然后通過離心、干燥，制備出不同 Mg含量的MgxZr^ x0納米顆粒，具體包括以下步驟：
[0017] 步驟1、在石英器皿中加入去離子水和預(yù)處理后的Zn-Mg合金靶材；
[0018] 步驟2、用激光器對(duì)Zn-Mg合金靶材進(jìn)行燒蝕，在燒蝕過程中不斷攪拌，得到 激光燒蝕產(chǎn)物，激光器的工藝參數(shù)設(shè)定如下：脈沖寬度l〇ns，激光能量密度為6. 37J/ (cm2 · pulse)，重復(fù)頻率10Hz，聚焦半徑2mm ;
[0019] 步驟3、將激光燒蝕獲得的乳濁液離心、干燥，即獲得不同Mg含量的MgxZ ni x0納米 顆粒，X的值為0.22~0.69。
[0020] 對(duì)照例1 :
[0021] 采用簡(jiǎn)單一步法制備不同Mg含量的MgxZni x0納米顆粒。首先在去離子水中激光 燒蝕高純度Zn祀材，然后通過離心、干燥，制備ZnO納米顆粒，具體步驟如下：
[0022] 步驟1、在石英器皿中加入去離子水和預(yù)處理后的高純度Zn靶材；
[0023] 步驟2、用激光器對(duì)Zn靶材進(jìn)行燒蝕，在燒蝕過程中不斷攪拌，得到激光燒蝕產(chǎn) 物，激光器的工藝參數(shù)設(shè)定如下：脈沖寬度l〇ns，激光能量密度為6. 37X/(cm2 · pulse)，重 復(fù)頻率10Hz，聚焦半徑2mm;
[0024] 步驟3、將激光燒蝕獲得的乳濁液離心、干燥，即可獲得ZnO納米顆粒。
[0025] 此外，對(duì)所制備的產(chǎn)物進(jìn)行了 XRD表征分析，如圖1所示。圖1所得樣品的XRD圖 表明，（100)和（002)衍射峰向大的衍射角度移動(dòng)，說明Mg已引入到ZnO的晶格中。此外， 當(dāng)靶材中Mg的原子百分比超過40%時(shí)，出現(xiàn)了 1%(0!1)2的衍射峰，即此時(shí)出現(xiàn)了相分離，這 是由于Mg在ZnO中有限的固溶度導(dǎo)致的。
[0026] 實(shí)施例1 :
[0027] 采用簡(jiǎn)單一步法制備不同Mg含量的MgxZni x0納米顆粒。首先在去離子水中激光 燒蝕不同原子百分比為90:10at. %的高純度Zn-Mg合金靶材，然后通過離心、干燥，制備 Mga22Zna7S0納米顆粒，具體步驟如下：
[0028] 步驟1、在石英器皿中加入去離子水和預(yù)處理后的原子百分比為90:10at. %的高 純度Zn-Mg合金靶材；
[0029] 步驟2、用激光器對(duì)Zn-Mg合金靶材進(jìn)行燒蝕，在燒蝕過程中不斷攪拌，得到 激光燒蝕產(chǎn)物，激光器的工藝參數(shù)設(shè)定如下：脈沖寬度l〇ns，激光能量密度為6. 37J/ (cm2 · pulse)，重復(fù)頻率10Hz，聚焦半徑2mm ;
[0030] 步驟3、將激光燒蝕獲得的乳濁液離心、干燥，即獲得Mg含量為22 %的Mg。.22Zn。. 7S0 納米顆粒。
[0031] 對(duì)樣品進(jìn)行XRD表征同對(duì)照例1。另外對(duì)所得產(chǎn)物進(jìn)行了 TEM和UV-vis表征分 析，如圖2,圖3,表1所示。圖2為實(shí)施例1制備的MgO. 22Ζηα78