[发明专利]一种固相反应直接合成铁掺杂硫化锌块材的方法

说明书

本发明公布了一种固相反应直接合成铁掺杂硫化锌块材的方法，使用硫化锌和硫化亚铁按掺杂比例称量，研磨混合均匀作为起始原料；将混合物粉末压成圆柱，端面用硫粉圆片盖住装入铂金‑石墨双样品腔密封制成样品，并置于h‑BN管中，以h‑BN为传压介质；在六面顶大压机进行高温高压反应，将反应后的圆柱样品取出打磨抛光，超声清洗风干后放入惰性气体氛围保存。得到的铁掺杂硫化锌块材密度接近理论密度，呈现标准的圆柱形，可直接用于半导体性质的测试，此外，原料硫化亚铁替换成硫化镍或硫化钴，将生成镍掺杂硫化锌或钴掺杂硫化锌等衍生物，可以研究更多掺杂成分的硫化锌半导体性质。

技术领域

本发明涉及一种固相反应直接合成铁掺杂硫化锌块材的方法，属于材料科学研究领域。

背景技术

在半导体材料研究流域，铁掺杂硫化锌Zn_1-xFe_xS被认为是一种优秀的室温铁磁性半导体。ZnS的化学性质和原子结构与氧化锌相当。然而，与氧化锌相比，ZnS的一些性质是独特的和有利的。例如，立方硫化锌ZnS的带隙3.72eV比ZnO的3.4eV要大得多，这使得ZnS变得更适合于基于可见光盲紫外光的器件，如传感器、光探测器等。同时，它具有较大的激子结合能和高折射率，是一种制备电致发光器件的半导体。而Fe²⁺、Mn²⁺、Co²⁺等磁性离子对硫化锌掺杂将进一步改变其光学性质、磁性以及输运性质。因此，研究不同铁含量掺杂的硫化锌对优化其半导体性质和开发光电器件极其重要。在矿物学研究领域，铁掺杂硫化锌被称为铁闪锌矿，是闪锌矿族中的重要代表，属于典型的热液成因矿物。天然铁闪锌矿通常与方铅矿共生，富集于铅锌矿床中多呈现不规则粒状集合体，属于难选矿物。天然晶体极其少见，晶体结构为立方晶系。随含铁量的增加，颜色由浅变深，由淡黄色到棕褐色。铁含量增加引起磁性增加和晶体表面能降低，强烈影响选矿的可浮性。因此，研究不同铁含量掺杂硫化锌的磁性为天然铁闪锌矿磁性选矿提供必要的理论依据。综上，铁掺杂硫化锌的磁性、电性和光学性质是其性质研究的核心，而在缺少大尺寸晶体的情况下，高纯度、高密度的块材被认为是研究其光电磁半导体性质最佳的载体。

目前，铁掺杂硫化锌的来源主要为天然选矿和人工合成两种。天然选矿是将天然铁闪锌矿-方铅矿集合体碎到100-200目，在矿相镜下挑选较纯的颗粒，将其研磨预压后在高温高压下进行重结晶，烧结成致密的块材。然而，对于材料学领域定量研究半导体材料，天然选矿的缺点在于天然铁闪锌矿的纯度无法保证、成分无法控制，其原因：(1)天然铁闪锌矿与方铅矿共生，二者形貌相似，极难挑选。同时，即使从共生矿物集合体中挑选出较纯的颗粒，但共生矿物的包裹体大部分在微米级，很难通过矿相镜选矿来识别。(2)天然铁闪锌矿受形成环境的影响，铁含量变化范围较大，常伴随多种元素的微量替代，这使得化学成分无法人为控制。由于半导体材料的热电性质强烈地依赖于杂质和成分，所以只有依靠人工合成高纯度的铁掺杂硫化锌，在人为控制掺杂成分的情况下，才能定量研究其光电磁半导体性质，而事实上，天然选矿无法达到材料学的标准。人工合成目前主要以水热化学沉淀法为主，获得高纯度铁掺杂硫化锌的纳米材料。但纳米铁掺杂硫化锌问题在于颗粒小、空隙度大，纳米颗粒的介电效应使得无法测量半导体输运性质。