专利名称：一种具有室温铁磁性纳米ZnO材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米ZnO材料的制备方法。
背景技术：
在现代信息技术中，半导体技术主要利用电子的电荷自由度去处理信息，而磁性材料利 用电子的自旋自由度去存储信息。磁电子学是一个新的，正在快速发展的领域。在这里，电 子的电荷自由度和自旋自由度被同时应用以产生新的功能。在更广义的情况下，这个新的领 域即自旋电子学它包括那些既不需要外磁场也不需要其他磁性材料而利用的自旋的器件。
ZnO是一种具有六方晶系的纤锌矿型(wurtzite)晶体结构的n型半导体，作为一种重 要的无机功能氧化物，它在电子学、光电子学、光催化、传感器等方面具有非常广泛的应用。 理论分析和实验结果表明以Zn0为基础的稀释磁性半导体(DMS)中存在室温铁磁性，从而 为这些材料开辟了新的应用领域。最近的研究结果表明纯ZnO同样也具有室温铁磁性，这意 味着它可以成为自旋电子装置的材料。然而目前关于纯ZnO纳米材料室温铁磁性的报道较少， Banerjee等人利用在900'C空气气氛中退火的方法提高了 ZnO纳米颗粒的室温铁磁性(S. Banerjjee， M. Mandal. N. Gayathri' M. Sardar, 4ciP丄尸力J^1. Ze".， 2007, W， 182501)， 饱和磁化强度(#》最大值约为0.002 emu'g—1; Sundaresan等人也报道了具有室温铁磁性 的纳米ZnO材料(A. Sundaresan, R. Bhaxgavi， N. Rangarajan， U. Siddesh， C N. R. Rao, 在2006， 7《161306)，但其AHt只有0. 0005 emu g、 Yan等人采用溶剂热 法制备了具有室温铁磁性的纳米棒(Z. Yan, M. Yan, D. Wang, J. Wang, Z. Gao, L. Wang, P. Yu， T. Song,力/^丄力e"., 2008, 9《081911)， #5值根据样品尺寸的不同最大 可达到0.004 emu，g—、从已有的报道中可以看出目前制备的纳米结构ZnO的室温磁性能都 比较差，这将大大限制了其在自旋电子装置上的应用。因此提高ZnO材料的室温铁磁性成为 当前一个迫切需要解决的问题。
强磁场作为一种极端条件的特殊电磁场形态,能够将高强度的能量无接触地传递到物质 地原子尺度，改变原子和分子地排列、匹配和迁移等行为，从而对材料的组织和性能产生巨 大而深刻的影响。已有的研究成果表明强磁场不仅可以改变加工过程的动力学，同时还可以 对样品的微观结构有很大的影响。因此采用强磁场可以成为提高ZnO材料室温铁磁性的一种 有效的方法。目前关于强磁场在磁性ZnO纳米材料的制备过程中应用非常少，仅有关于掺杂的Zn0稀磁半导体材料的制备，Chu等人在2007年采用强磁场制备了 Co掺杂的具有室温铁 磁性的Zn0纳米晶(D. Chu， Y. P. Zeng， D. Jiang, Synthesis of room-temperature ferromagnetic Co-doped Zn0 nanocrastals under a high magnetic field, / <7力柳. G 2007,"厶5893)，具体制备过程如下将一定量的Zn(Ac)2 2H20和Co(Ac)2 4H20在 273 K的条件下溶解在一定量的无水乙醇中，然后将一定量的Na0H的乙醇溶液在273 K、搅 拌的条件下慢慢滴加到上述溶液中直到有沉淀产生，将得到的混合液转移到高压反应釜中， 在393 K、 12T的条件下反应5h，得到产物。从制备方法中可以看出该方法用在Co掺杂的 Zn0稀磁半导体的制备过程中，并未用在纯ZnO样品的制备中，反应温度偏低，因此样品的 室温铁磁性与普通方法制备的样品相比，并没有明显的提高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术难以提高Zn0室温磁性能的缺点，提供一种新的具有室温 铁磁性的Zn0材料的制备方法，以达到明显改善Zn0样品室温铁磁性的目的。 本发明利用磁场加热炉制备具有室温铁磁性的Zn0材料，其具体步骤如下
(1) 利用普通化学或者物理方法制备好纳米Zn0前驱体、ZnO薄膜样品或者直接制备得 到Zn0纳米材料，所述的ZnO纳米材料包括纳米颗粒，纳米棒，纳米线，纳米管，量子点；
(2) 将上述过程制备的纳米ZnO前驱体、薄膜或者纳米ZnO材料放入装有超导磁体、
具有气体氛围的加热炉中处理；
(3) 热处理的温度为400 ~ 1000 °C，保温0.2 10 h，最后自然冷却到室温，在热处 理过程中从开始到冷却至室温的整个过程都施加0. 2 35 T的磁场。
用本发明方法制备的ZnO材料的磁性能测试结果表明得到的ZnO纳米材料在常温下具有 铁磁性质。而且制备本发明方法提供的工艺简单，便为操作。
图1实施例1制备的ZnO纳米颗粒的XRD图； 图2实施例1制备的ZnO纳米颗粒SEM图； 图3实施例1制备的ZnO纳米颗粒磁性能测试结果。
具体实施方式
实例l
本实例的具体工艺步骤如下-
按照摩尔比为1: 10称取适量Zn(Ac) 2 2H20和Na0H，然后将二者加入到适量无水乙醇 中，使得Zn(Ac)2 2H20的浓度为0. 0125 mol/L，随后将溶液超声30 min后转入50 mL的水 热反应釜内胆中，密封后在120 'C保温5h，自然冷却后除去清液，将得到的产物采用离心分离并用去离子水和无水乙醇清洗样品，最后将样品在70 'C干燥IOh。将干燥后的ZnO纳 米棒放入强磁场加热炉中进行磁场热处理，处理温度为700 'C，处理时间为2h，气氛为空 气，在热处理过程中12T的磁场，而且在热处理过程中从开始到最后一直施加恒定的磁场， 自然冷却到室温后取出样品。
图l、 2、 3为所得样品的XRD、 SEM和磁性能测试结果。通过样品的形貌、相组成及磁测 量的结果表明，本实施例制备的ZnO纳米颗粒在室温具有铁磁性质，私值达到0.02 emu.g-1， 远远高于目前文献报道的值。
实例2
采用化学水浴沉积的方法制备ZnO纳米颗粒。将浓度为20tmiol/L的Zn(N03)2 6仏0和六亚 甲基四胺(C孔美)的乙醇溶液置于70 t)水浴中保持20 h。之后得到的沉淀经过离心分离、 洗涤、干燥后得到ZnO纳米颗粒。然后将ZnO纳米颗粒置于具有空气气氛的强磁场加热炉中进 行磁场热处理，处理温度为400 °C,处理时间为5 h，气氛为空气，在热处理过程中12 T的 磁场，而且在热处理过程中从开始到最后一直施加恒定的磁场，自然冷却到室温后取出样品。
实例3
制备ZnO纳米线。采用化学气相沉积法制备ZnO纳米线。然后将ZnO纳米线置于具有空气 气氛的强磁场加热炉中进行磁场热处理，处理温度为800 'C，处理时间为3 h,气氛为空气， 在热处理过程中12T的磁场，而且在热处理过程中从开始到最后一直施加恒定的磁场，自然 冷却到室温后取出样品。
实例4
制备ZnO薄膜样品。利用磁控溅射仪制备ZnO薄膜。然后将薄膜样品置于具有空气气氛的 强磁场加热炉中进行磁场热处理，处理温度为IOOO 'C，处理时间为0.2h，气氛为空气，在 热处理过程中35T的磁场，而且在热处理过程中从开始到最后一直施加恒定的磁场，自然冷 却到室温后取出样品。
实例5
采用水热法制备ZnO纳米管。将醋酸锌、氨水和乙醇的混合溶液在180 'C的高压釜中反 应13 h，冷却后经过离心分离、洗涤和干燥后得到ZnO纳米管。然后将ZnO纳米管置于具有空 气气氛的强磁场加热炉中进行磁场热处理，处理温度为600 °C，处理时间为4 h，气氛为空 气，在热处理过程中20 T的磁场，而且在热处理过程中从开始到最后一直施加恒定的磁场， 自然冷却到室温后取出样品。
实例6
在70 'C水浴和稳定剂乙醇胺作用下，将Zn(Ac)2'2H20溶解于异丙醇有机溶剂中。经充分搅拌后形成透明液体，成为制备纳米ZnO的前驱体。然后将ZnO前驱体置于具有空气气氛的 强磁场加热炉中进行磁场热处理，处理温度为500 °C，处理时间为5 h，气氛为空气，在热 处理过程中5 T的磁场，而且在热处理过程中从开始到最后一直施加恒定的磁场，自然冷却 到室温后取出样品。 实例7
取2.2 gZn(AC)2'2&0置于100 mL无水乙醇中，在80 。C回流3 h，回流后的溶液为无色 透明液体。用移液管量取此溶液10mL置于100mL烧杯中，而后加入一定量的PVP表面活性剂， 制成ZnO前驱体溶液；同时称取0.118 gLiOH加入到lO raL乙醇溶液中，超声振荡使之溶解。 将上述LiOH溶液滴加到剧烈搅拌的前驱溶液中，制得ZnO量子点(反应温度为50 °C)。然后 将ZnO量子点置于具有空气气氛的强磁场加热炉中进行磁场热处理，处理温度为400 'C，处 理时间为IO h，气氛为空气，在热处理过程中0.2 T的磁场，而且在热处理过程中从开始到 最后一直施加恒定的磁场，自然冷却到室温后取出样品。
权利要求
1、一种具有室温铁磁性ZnO材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法的工艺步骤如下(1)利用普通化学或者物理方法制备好纳米ZnO前驱体、ZnO薄膜样品或者直接制备得到ZnO纳米材料；(2)将所述步骤1制备的纳米ZnO前驱体、薄膜或者纳米ZnO材料放入装有超导磁体，并具有气体氛围的加热炉中处理；(3)热处理的温度为400～1000℃，保温0.2～10h，最后自然冷却到室温，在热处理过程中从开始到冷却至室温的整个过程施加0.2～35T的磁场。
2、 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的ZnO纳米材料包括ZnO纳米颗 粒，ZnO纳米棒，ZnO纳米线，ZnO纳米管和ZnO量子点。
全文摘要
一种具有室温铁磁性ZnO材料的制备方法。该方法的工艺步骤为利用普通化学或者物理方法制备好纳米ZnO前驱体、ZnO薄膜样品或者直接制备得到ZnO纳米材料(包括纳米颗粒，纳米棒，纳米线，纳米管，量子点等)，然后将样品置于具有空气或其他气体(如氧气)氛围的强磁场烧结炉中进行热处理，整个热处理过程施加磁场，自然冷却后即可得到具有室温铁磁性的纳米ZnO材料。经磁性能分析，证明本发明方法可以明显提高纳米ZnO材料的室温铁磁性能。
文档编号H01F13/00GK101645341SQ20091009092
公开日2010年2月10日 申请日期2009年8月14日 优先权日2009年8月14日
发明者王军红, 王栋樑, 马衍伟 申请人:中国科学院电工研究所