[发明专利]一种P型氧化锌微纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于无机微纳米纤维材料制备技术领域，涉及一种P型氧化锌微纳米纤维的制备方法，基于静电纺丝技术和半导体材料的掺杂改性技术，实现P型氧化锌微纳米纤维的快速和批量制备。

背景技术：

在目前技术中，所谓的微纳米纤维是指在材料的三维空间尺度上有二维处于纳米尺度的线状或管状材料，通常是直径、管径或厚度为纳米尺度且长度相对较大的材料，它主要包括纳米丝、纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带和纳米电缆等；由于纳米纤维的直径减小到纳米量级，比表面积大，导致其表面能和活性大大增强，从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使其在化学和物理（热、光、电磁等）性质方面表现出一系列特异的性质。现有的制备微纳米纤维的方法包括：静电纺丝法（美国专利：1-975-504,1934）、抽丝法（Euro physics Letters,42,215(1998)），模板法（Chemistry of Materials,8,1739(1996)），分相法（Journal of Biomedical Materials Research,46,60(1999)）和自组装法（Science,295,2418(2002)）等；相比较而言，静电纺丝技术能够制备长尺寸、直径分布均匀且成分多样化的纳米纤维，所制得的纳米纤维既可以是有机物又可以是无机物，该方法具有操作工艺简单及较广泛的适用性等特点，现有的静电纺丝法制备无机纳米纤维主要分为配制纺丝前驱体溶液、微纳米纤维纺丝和高温烧结去除有机成分共三个步骤，根据在纺丝前驱体溶液内掺杂的成分和烧结温度的不同，将得到不同成分和结构的无机纳米纤维。

然而，本征态的氧化锌半导体特性为N型，使用铝、镓、铟等第III主族元素或氯和碘等卤族元素可以调节其N型半导体性能；要将氧化锌制成P型半导体则要经过受主掺杂，可用的添加剂包括锂、钠、钾等碱金属元素，氮、磷、砷等第V主族元素，以及铜、银等金属元素，但是由于氧化锌中存在较多本征施主缺陷，会对受主掺杂产生高度自补偿作用，并且受主杂质固溶度很低，难以实现P型转变，导致无法制得半导体器件的核心——氧化锌P-N结结构，因此极大地限制了氧化锌基光电器件的开发应用。目前的研究中，中国专利（申请号：CN200610119424.5）,利用电磁场约束电感耦合增强气相沉积系统，获得了氮掺杂的P型氧化锌薄膜，但是该方法制备技术过于复杂；申请号为CN201110160741.2的中国专利通过磁控溅射，以金属锌为靶材，以氩气为溅射气体，氧气和氮气为反应气体获得氮掺杂的P型氧化锌薄膜，磁控溅射后无需热处理，方法简单，薄膜质量较好，但仅适用于薄膜材料的制备；中国专利（申请号：CN200810050450.6）中以一定摩尔百分比的氧化锌和锑混合粉体为原料，通过热压烧结法制备锑掺杂的P型氧化锌多晶体材料，但是该方法需要较高温度和较大压力，仅适用于较大的体积材料制备；中国专利（申请号：CN200910024218.X），使用等离子辅助激光分子束外延设备，采用两步法外延生成磷掺杂的P型氧化锌薄膜，成功实现了原生薄膜的P型导电类型转变，但制备工艺复杂，且都是对P型氧化锌薄膜材料或块材的制备，因此寻求设计一种简单、快速且可批量生产的P型氧化锌微纳米纤维的制备方法，具有良好的社会意义和实用价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种P型氧化锌微纳米纤维的制备方法，以实现比较稳定的P型氧化锌微纳米纤维的成功制备。

为了实现上述目的，本发明涉及的制备方法包括配制纺丝前驱体溶液、电纺微纳米纤维和高温烧结三个步骤：

（1）配制纺丝前驱体溶液：先选择环境温度为15℃，湿度为43%RH的制备场合，用电子天平称量8.5克无水乙醇和1.5克聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量130万），在锥形瓶中混合搅拌3小时后静置1小时，获得均质透明的15wt%PVP乙醇溶液，再用电子天平称量1.0克醋酸锌固体、2.0克无水乙醇、0.2克蒸馏水和0.2克硝酸镧或0.2克硝酸铈固体，在另一锥形瓶中混合，控温60-80℃进行加热搅拌5-10分钟，待锥形瓶中固体完全溶解后，用一次性吸管将该溶液转移到已经配置好的15wt%PVP乙醇溶液中形成混合溶液，然后用磁力搅拌器将上述混合溶液在室温下搅拌1小时使两种溶液充分混合均匀，即得纺丝前驱体溶液；