Zn1－x Al x O粉末樣品的制備及結(jié)構(gòu)表征

呂寶華，李玉珍，胡娟娟

（1.運城學院應用化學系，山西運城 044000；2.運城學院機電公共實驗中心，山西運城 044000）

Zn1－xAlxO粉末樣品的制備及結(jié)構(gòu)表征

呂寶華1，李玉珍2，胡娟娟1

（1.運城學院應用化學系，山西運城 044000；2.運城學院機電公共實驗中心，山西運城 044000）

采用固相反應法制備了Zn1－xAlxO粉末樣品。通過X射線衍射（XRD）和紅外光譜（IR）對粉體的結(jié)構(gòu)和光學性能進行了表征。結(jié)果表明：隨著Al摻雜濃度逐漸加大，樣品ZnO（101）衍射峰的峰位向高衍射角方向移動，x＝0.024樣品的晶粒大小隨溫度的升高而增大；通過FT－IR發(fā)現(xiàn)Al摻雜樣品在427.78 cm－1和487.39 cm－1附近出現(xiàn)了Zn－O的吸收帶，表現(xiàn)出良好的紅外吸收特性。

氧化鋅；鋁摻雜；紅外吸收

ZnO是一種新型的寬禁帶半導體氧化物材料，具有優(yōu)異的導電性、導熱性、化學穩(wěn)定性及良好的紫外吸收性能等。通常采用不同元素進行摻雜來進一步改善ZnO材料的性能。 Al摻雜ZnO材料（ZAO）因其良好的光學特性及價廉、環(huán)保及在氫等離子中穩(wěn)定性好等優(yōu)點，受到人們的廣泛關(guān)注[1－2]。現(xiàn)在已有多種方法來制備Al摻雜ZnO，如均勻沉淀法[3]、溶膠－凝膠法[4－5]、噴霧熱分解法[6]和磁控濺射法[7－8]等。目前關(guān)于ZAO薄膜的研究很多，而對固相反應法[9]制備Al摻雜ZnO粉末樣品的報道還很少見。我們采用固相反應法制備了不同ZAO樣品，詳細研究了Al摻雜量、退火溫度對樣品晶粒尺寸和紅外吸收的影響。

1 實驗方法

1.1 儀器與試劑

Y－2000型X儀射線衍射儀（XRD）（丹東奧龍射線儀器有限公司）；TENSOR27傅里葉紅外光譜儀（德國布魯克公司）；KSW型箱式電阻爐（沈陽市節(jié)能電爐廠）。

Al2O3，ZnO，均為分析純（99.96%）。

1.2 實驗方法

按一定比例的Al2O3與ZnO稱取原料，將配好的粉料進行研磨，研磨時間為3 h。將研磨好的Zn1－xAlxO樣品放入電阻爐進行熱處理，燒結(jié)結(jié)束后使樣品隨爐冷卻。樣品結(jié)構(gòu)采用X儀射線衍射儀來表征，掃描速度為0.03°蛐s，掃描角度25°～80°。紅外光譜通過紅外光譜儀來測定：樣品用KBr壓片，在400～4000 cm－1波長范圍進行測試。

2 結(jié)果與討論

圖1為不同Al摻雜的Zn1－xAlxO粉末樣品在退火溫度為900℃時的XRD圖。從圖中可以看出，所有樣品都出現(xiàn)了ZnO（100）、（002）、（101）、（102）、（110）和（103）等衍射峰，確定實驗所制備的粉末樣品具有六角特征的纖鋅礦ZnO晶體結(jié)構(gòu)。而且所有樣品只出現(xiàn)了ZnO衍射峰，未觀測到Al及其氧化物的衍射峰，這表明在制備ZAO粉體過程中摻雜的鋁元素進入到ZnO晶格的內(nèi)部，取代Zn2＋的位置形成了氧空位和間隙原子，形成了Al蛐ZnO固溶體。

圖1 不同Al摻雜濃度的Zn1-x AlxO粉料的XRD譜圖

因為粉末ZnO的主衍射峰為（101）峰，所以還比較了ZnO（101）主衍射峰的位置大小。圖2為不同樣品中ZnO（101）峰的偏移圖，從圖中可以明顯看到摻雜了Al的ZnO（101）衍射峰較沒有摻雜Al的（101）衍射峰向大角度方向發(fā)生了移動。分析是因為Al的原子半徑比Zn原子小，根據(jù)布拉格方程：2dsinθ＝nλ，當Al3＋部分取代Zn2＋進入ZnO晶格時將引起ZnO主要衍射峰的偏移[5]。

圖2 不同樣品中ZnO（101）峰的偏移圖

圖3為不同退火溫度的 Zn0.976Al0.024O粉料的XRD圖譜。從圖中可以看到，無論溫度高低都沒有看到Al及其氧化物的衍射峰，說明溫度不會影響到Al取代Zn的位置。通過謝樂公式D＝0.89λ蛐（Bs· COSθ）計算了樣品的晶粒尺寸大小。其中D為樣品的顆粒尺寸；λ為X射線波長；Bs為衍射峰半高寬；θ為主衍射峰的衍射角。圖4為不同In摻雜量退火600℃后與晶粒尺寸大小的關(guān)系圖。從圖中可以看到：隨著溫度的升高，樣品晶粒尺寸逐漸增大。這說明Al3＋進入ZnO內(nèi)部形成固溶體后，升高溫度能使氧化鋅晶體生長速度加快，粉體的粒徑增大。

另外，通過對樣品進行近紅外吸收測試得到了吸收曲線，見圖5。從圖中看出，3 437.98 cm－1附近的吸收峰歸于樣品在壓片時吸附的濕氣導致的O－H基團伸縮振動的吸收峰，1 641.23 cm－1與H－O－H彎曲振動有關(guān)。427.78 cm－1附近的吸收帶對應于Zn－O的晶格振動，摻雜了Al的樣品在487.39 cm－1附近又出現(xiàn)了一個吸收帶，這主要因為，Al進入ZnO晶格中，與O2－形成共價鍵，打破了ZnO原有的對稱性，使得紅外非活性振動變?yōu)榧t外活性振動，從而使晶格振動能級發(fā)生變化[10-12]，導致吸收的變化。

圖3 不同退火溫度的Zn0.976Al0.024O的XRD譜

圖4 Zn0.976Al0.024O粉末樣品的晶粒尺寸與溫度的變化關(guān)系圖

圖5 Zn1-x Al x O粉料退火900℃后的紅外光譜

3 結(jié)論

1）采用固相反應法制備了六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)Zn1－xAlxO粉末樣品。XRD結(jié)果表明，Al摻雜濃度在x=0.040范圍內(nèi)，樣品Al3+可以很好地取代Zn2+的位置；Zn0.976Al0.024O粉末樣品的晶粒尺寸隨溫度升高而逐漸變大。

2）通過對樣品的中遠紅外波段特性進行檢測，Al摻雜樣品在487.39 cm－1附近出現(xiàn)了Zn－O的分裂吸收帶。

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Preparation and Characterization of Zn1－xAlxO Powder Sam ples

LU¨Bao－h(huán)ua1，LIYu－zhen2，HU Juan－juan1
（1.Department of Applied Chemistry，Yuncheng University，Yuncheng Shanxi，044000；2.Electrical and Mechanical Public Experiment Center，Yuncheng University，Yuncheng Shanxi，044000）

The Zn1－xAlxO powder samples were prepared by solid state reaction.The structure and optical properties of powderswere characterized by X－ray diffraction（XRD）and infrared spectroscopy（IR）.The results showed that as concentration of Al－doped increasd，the ZnO（001）diffraction peak ofsamplesmoved tohigherdiffraction angle，and thegrain sizeofsample（x=0.024）increased with increasing temperature.FT－IR spectra showed that Zn－O absorption band of Al－doped sample appeared near 427.78 cm－1and 487.39 cm－1，showing better features of infrared absorption.

Zinc oxide；Aluminum doped；infrared absorption 〔責任編輯 楊德兵〕

O611.4

A

1674－0874（2012）01－0037－03

2011－09－28

運城學院院級科研資助項目[2009007]

呂寶華（1982－），男，山西文水人，碩士，講師，研究方向：無機材料合成及表征。