一种提高Zn-Mg合金中Mg含量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米材料制备和能带工程技术，特别是一种提高Zn-Mg合金中Mg含量 的方法。
【背景技术】
[0002] 宽禁带半导体ZnO(带隙3. 37eV)具有优异的电学和光学性能，在气体传感，太阳 能电池，光催化等领域具有广泛应用。但随着ZnO纳米材料的发展，单一 ZnO纳米材料已经 不能满足材料应用的需求，因此基于能带工程的掺杂技术成为一个优越的选择。由于Mg2+ 和Zn2+的离子半径比较接近，且MgO带隙高达7. 8eV，进而Mg x0纳米材料的带隙理论上 在3. 37eV~7. 8eV之间连续可调，同时兼具ZnO和MgO优异性能，使其在紫外光电探测器、 光学传感器及光催化具有广泛应用。
[0003] 目前，锌镁合金化的方法主要包括化学气相沉积法，溶胶-凝胶法，脉冲激光沉积 法等。M. Trunk 等（Deep level related photoluminescence in ZnMgO, Applied Physics Letters. 2010, 97, 211901)采用化学气相沉积法在蓝宝石衬底上生长制备出MgxZni x0薄 膜，所得MgxZni x0薄膜均匀性好，结晶度高，但该制备方法反应温度高，容易引起晶粒粗 大，生成脆性相，使材料性能变坏。Kumar等（Investigation of phase segregation in ZnlxMgx0 systems, Current Applied Physics. 2012, 12, 1166-1172.)米用溶胶-凝 胶法制备MgxZni x0薄膜，该方法生产成本低，镀膜效率好，均匀性好，但是制备过程所需 时间长，且凝胶中存在大量微乳，干燥时会释放气体产生收缩。Kim等（Fabrication of Mg-doped ZnO thin films by laser ablation of Zn:Mg target, Applied Surface Science. 2009, 255, 5264-5266.)采用脉冲激光沉积法制备MgxZni x0薄膜，该方法成膜装着 简单灵活，薄膜成分均匀，生长效率高，但这种方法沉积的薄膜纯度不高，还不能有效解决 Mg固溶度的问题，即该方法还存在提高Mg在ZnO中的固溶度而不发生相分离的缺陷。此外， 由于上述方法所存的缺陷，所得产物在较低Mg掺杂浓度（固溶度为37%)时即出现相分 离，进而限制了材料本身的发展与应用。（MgxZnl-x0 as a II-VIwide-gap semiconductor alloy, Applied Physics Letters, 1998, 72, 2466 - 2468.)
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种提高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] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种提高Zn-Mg合金中Mg含量的方法，采 用在去离子水中，液相激光烧蚀不同原子百分比的高纯Zn-Mg合金靶材，然后通过离心、干 燥，制备不同Mg含量的MgxZr^ x0纳米颗粒，其具体包括如下步骤：
[0006] 步骤1、在石英器皿中加入去离子水和预处理后的Zn-Mg合金靶材；
[0007] 步骤2、用激光器对Zn-Mg合金靶材进行烧蚀，在烧蚀过程中不断搅拌，得到 激光烧蚀产物，激光器的工艺参数设定如下：脉冲宽度l〇ns，激光能量密度为6. 37J/ (cm2 · pulse)，重复频率10Hz，聚焦半径2mm ;
[0008] 步骤3、将激光烧蚀获得的乳浊液离心、干燥，即获得不同Mg含量的MgxZ ni x0纳米 颗粒，X的取值为0. 22~0. 69。
[0009] 步骤1中，211-1%合金靶材纯度>99.9%，其原子百分比为190:10~50 :50&七％; 石英器皿中，加入的去离子水到预处理后的Zn-Mg合金靶材表面的距离为2~4mm。
[0010] 步骤2中，激光器选用1064nm Nd-YAG激光器，搅拌速率为80-90rad/min，搅拌时 间为2h。
[0011] 步骤3中，离心速率为9000rpm/min，离心时间为3min，干燥温度为60°C，干燥时间 为 12h〇
[0012] 本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)本发明制备工艺简单快速、重复性好、 绿色无污染；2)本发明能提高合金中Mg固溶度，并突破均相合金化组分极限值和带隙极限 值；3)本发明所得到的Mg xZni x0纳米颗粒纯度高、组分可控、产物尺寸小、形貌均一、稳定性 好。
【附图说明】
[0013] 图1为发明实例1-5和对照例1制备的Mgxzni x0纳米颗粒的XRD图。
[0014] 图2为发明实例1制备的MgQ.22ZnQ. 7S0纳米颗粒的TEM图。
[0015] 图3为发明实例1-5制备的MgxZni x0纳米颗粒的UV-vis图。
【具体实施方式】
[0016] 采用简单一步法制备不同Mg含量的MgxZni x0纳米颗粒。首先在去离子水中激光 烧蚀预处理后的不同原子百分比的高纯Zn-Mg合金靶材，然后通过离心、干燥，制备出不同 Mg含量的MgxZr^ x0纳米颗粒，具体包括以下步骤：
[0017] 步骤1、在石英器皿中加入去离子水和预处理后的Zn-Mg合金靶材；
[0018] 步骤2、用激光器对Zn-Mg合金靶材进行烧蚀，在烧蚀过程中不断搅拌，得到 激光烧蚀产物，激光器的工艺参数设定如下：脉冲宽度l〇ns，激光能量密度为6. 37J/ (cm2 · pulse)，重复频率10Hz，聚焦半径2mm ;
[0019] 步骤3、将激光烧蚀获得的乳浊液离心、干燥，即获得不同Mg含量的MgxZ ni x0纳米 颗粒，X的值为0.22~0.69。
[0020] 对照例1 :
[0021] 采用简单一步法制备不同Mg含量的MgxZni x0纳米颗粒。首先在去离子水中激光 烧蚀高纯度Zn祀材，然后通过离心、干燥，制备ZnO纳米颗粒，具体步骤如下：
[0022] 步骤1、在石英器皿中加入去离子水和预处理后的高纯度Zn靶材；
[0023] 步骤2、用激光器对Zn靶材进行烧蚀，在烧蚀过程中不断搅拌，得到激光烧蚀产 物，激光器的工艺参数设定如下：脉冲宽度l〇ns，激光能量密度为6. 37X/(cm2 · pulse)，重 复频率10Hz，聚焦半径2mm;
[0024] 步骤3、将激光烧蚀获得的乳浊液离心、干燥，即可获得ZnO纳米颗粒。
[0025] 此外，对所制备的产物进行了 XRD表征分析，如图1所示。图1所得样品的XRD图 表明，（100)和（002)衍射峰向大的衍射角度移动，说明Mg已引入到ZnO的晶格中。此外， 当靶材中Mg的原子百分比超过40%时，出现了 1%(0!1)2的衍射峰，即此时出现了相分离，这 是由于Mg在ZnO中有限的固溶度导致的。
[0026] 实施例1 :
[0027] 采用简单一步法制备不同Mg含量的MgxZni x0纳米颗粒。首先在去离子水中激光 烧蚀不同原子百分比为90:10at. %的高纯度Zn-Mg合金靶材，然后通过离心、干燥，制备 Mga22Zna7S0纳米颗粒，具体步骤如下：
[0028] 步骤1、在石英器皿中加入去离子水和预处理后的原子百分比为90:10at. %的高 纯度Zn-Mg合金靶材；
[0029] 步骤2、用激光器对Zn-Mg合金靶材进行烧蚀，在烧蚀过程中不断搅拌，得到 激光烧蚀产物，激光器的工艺参数设定如下：脉冲宽度l〇ns，激光能量密度为6. 37J/ (cm2 · pulse)，重复频率10Hz，聚焦半径2mm ;
[0030] 步骤3、将激光烧蚀获得的乳浊液离心、干燥，即获得Mg含量为22 %的Mg。.22Zn。. 7S0 纳米颗粒。
[0031] 对样品进行XRD表征同对照例1。另外对所得产物进行了 TEM和UV-vis表征分 析，如图2,图3,表1所示。图2为实施例1制备的MgO. 22Ζηα78