专利摘要

一种基于氧化镓/氧化亚铜结构的纳米复合材料，其是一种在氧化镓纳米棒外表面包覆氧化亚铜纳米层的复合材料，在氧化镓纳米棒与氧化亚铜纳米层之间设有氧化锌籽晶过渡层。其中氧化镓层是采用低温水溶液制备而成的纳米棒状结构，纳米氧化亚铜包覆层则是以采用多步籽晶包覆生长的方法制备而成；过渡层采用晶格与β‑Ga2O3匹配较好的ZnO籽晶层。本发明的产品实现了β‑Ga2O3/Cu2O纳米复合结构，产品对紫外和可见光均有吸收，拓展了其吸收范围；同时本发明的制备方法不需要催化剂，重复性好，工艺操作简单，制造成本低。

权利要求

1.一种基于氧化镓/氧化亚铜结构的纳米复合材料，其特征在于：其是一种在氧化镓纳米棒外表面包覆氧化亚铜纳米层的复合材料，在氧化镓纳米棒与氧化亚铜纳米层之间设有氧化镓/氧化锌籽晶过渡层,并且其制备方法如下：

①采用低温水溶液方法，以10～30mol/L硝酸镓和10～30mol/L六次甲基四胺作为反应原料，其体积比为1:1，在温度为70～90℃下反应3～8小时制备氧化镓前驱体GaOOH；

②将步骤①生长的前驱体GaOOH置于加热炉中，于600～800℃加热2～5小时后自然冷却获得β-Ga2O3纳米棒材料；

③将乙酸锌溶于乙醇中，制得浓度为3-7g/L的ZnO籽晶过渡生长层溶液；将步骤②获得的粉末置于ZnO籽晶过渡生长层溶液，在超声频率40kHz、输出功率400W条件下超声5分钟，然后自然浸泡12～24小时后，过滤后，将粉末置于烘箱烘干，在150～200℃条件下加热15～30分钟后，随后自然冷却到室温，重复上述浸泡、过滤、加热过程三次，制得氧化镓/氧化锌籽晶过渡层附着在氧化镓纳米棒上的结构；

④将乙酸铜溶于乙醇中，快速搅拌均匀，制得浓度为2-5g/L的混合溶液；将步骤③热处理后即生长有ZnO过渡籽晶层的氧化镓纳米棒浸入混合溶液中，于70℃反应12～24小时，反应结束取出后用去离子水洗涤，烘干，随后置于加热炉中150～200℃条件下加热15～30分钟后自然冷却置室温，重复上述生长及加热过程三次。

2.根据权利要求1所述的基于氧化镓/氧化亚铜结构的纳米复合材料，其特征在于：所述复合材料从内向外依次为β-Ga2O3纳米棒核层、ZnO籽晶过渡层、Cu2O纳米包覆层。

3.根据权利要求1所述的基于氧化镓/氧化亚铜结构的纳米复合材料，其特征在于：氧化镓层是采用低温水溶液制备而成的纳米棒状结构，纳米氧化亚铜包覆层则是以采用多步籽晶包覆生长的方法制备而成；过渡层采用晶格与β-Ga2O3匹配较好的ZnO籽晶层。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体材料及其制备方法，特别是氧化镓半导体材料及其制备方法。

背景技术

氧化镓是一种具重要的新型宽禁带半导体材料，其禁带宽度为4.9eV，因其具有较高的禁带宽度、较高的击穿电压、优良的紫外透过性能而受到越来越多的的关注。β-Ga₂O₃因存在氧空位缺陷而成为一种本征n型氧化物半导体，另外β-Ga₂O₃作为新型半导体纳米材料，还具有体材料所不具有的独特的物理化学性质。在发光、传感器、太阳能电池、光催化等应用方面有着巨大的潜力和价值。目前稳定的p型Ga₂O₃仍然很难制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能稳定且优异的基于氧化镓/氧化亚铜结构的纳米复合材料及制备方法。本发明的复合材料是：在氧化镓层外面由氧化锌籽晶层作为过渡层包覆有纳米氧化亚铜包覆层；其中氧化镓层是采用低温水溶液制备而成的纳米棒状结构，纳米氧化亚铜包覆层则是以采用多步籽晶包覆生长的方法制备而成；过渡层采用晶格与β-Ga₂O₃匹配较好的ZnO籽晶层。本发明的制备方法首先在β-Ga₂O₃表面生长ZnO纳米籽晶层，最后再对其进行腐蚀性生长纳米Cu₂O包覆层。

本发明具体内容如下：

一、本发明的材料是一种在氧化镓纳米棒外表面包覆氧化亚铜纳米层的复合材料，在氧化镓纳米棒与氧化亚铜纳米层之间设有氧化锌籽晶过渡层，该氧化锌籽晶过渡层充当模板，随后进行Cu₂O纳米材料生长，因此所述复合材料从内向外依次为β-Ga₂O₃纳米棒核层、ZnO籽晶过渡层、Cu₂O纳米包覆层。

二、本发明的制备方法如下：

①采用低温水溶液方法，以10～30mol/L硝酸镓和10～30mol/L六次甲基四氨作为反应原料，其体积比为1:1，在温度为70～90℃下反应3～8小时制备氧化镓前驱体GaOOH。

②将步骤①生长的前驱体GaOOH置于加热炉中，于600～800℃加热2～5小时后自然冷却获得β-Ga₂O₃纳米棒材料。

③将乙酸锌溶于乙醇中，制得浓度为3-7g/L的ZnO籽晶过渡生长层溶液；将步骤②获得的粉末置于ZnO籽晶过渡生长层溶液，在超声频率40kHz、输出功率400W条件下超声5分钟，然后自然浸泡12～24小时后，过滤后，将粉末置于烘箱烘干，在150～200℃条件下加热15～30分钟后，随后自然冷却到室温。重复上述浸泡、过滤、加热过程三次，制得氧化镓/氧化锌籽晶过渡层附着在氧化镓纳米棒上的结构。

④将乙酸锌溶于乙醇中，快速搅拌均匀，制得浓度为2-5g/L的混合溶液；将步骤③热处理后即生长有ZnO过渡籽晶层的氧化镓纳米棒浸入混合溶液中，于70℃反应12～24小时。反应结束取出后用去离子水洗涤，烘干。随后置于加热炉中150～200℃条件下加热15～30分钟后自然冷却置室温，重复上述生长及加热过程三次。制得氧化镓/氧化亚铜纳米复合结构。

本发明的设计思想大概如下：氧化亚铜是一种性能优异的天然p型半导体材料，它具有无毒、原料丰富等优点，它的禁带宽度在2.1eV左右，处于光伏发电的最佳能隙范围中，与太阳光谱的极大值相匹配，在可见光范围内吸收率较高，理论光电转换效率较高。因此Cu₂O成为了太阳能电池领域的理想材料。众所周知，高活性光催化剂必须同时具备高晶化度和大比表面这两个特性。前者能够降低光生电子空穴在缺陷点的复合率，而后者则可以使反应物在纳米粒子表面的吸附能力增强，并进一步与光生电子空穴发生反应。另外通过对窄带隙半导体纳米包覆宽带隙半导体来实现光学增强的结构可能会在未来光子学器件中发挥重要作用。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的产品实现了β-Ga₂O₃/Cu₂O纳米复合结构，产品对紫外和可见光均有吸收，拓展了其吸收范围。

2、本发明的制备方法不需要催化剂，重复性好，工艺操作简单，制造成本低。

附图说明

图1为本发明实施实例中β-Ga₂O₃纳米棒的扫描电镜图；

图2为本发明实施实例中β-Ga₂O₃/Cu₂O纳米复合结构扫描电镜形貌图；

图3为本发明实施实例中β-Ga₂O₃/Cu₂O纳米复合结构透射电镜图；

图4为本发明实施实例中β-Ga₂O₃/Cu₂O纳米复合结构界面处元素分布图；

图5为本发明实施实例中β-Ga₂O₃纳米棒吸收光谱图；

图6为本发明实施实例中β-Ga₂O₃/Cu₂O纳米复合结构吸收光谱图；。

对上面附图的说明如下：

从图1可以看出，合成的β-Ga₂O₃纳米棒其尺寸在500-800nm之间。

从图2可以看出，合成的β-Ga₂O₃纳米棒均被Cu₂O纳米材料均匀包覆。

从图3可以看出，包覆层的Cu₂O纳米材料的尺寸在50nm左右。

从图4可以看出，本发明实施例所制得的纳米β-Ga₂O₃/Cu₂O纳米复合结构，主要包含Ga及Cu元素。

从图5可以看出，本发明实施例所制得的β-Ga₂O₃纳米棒在紫外区域有着明显地吸收。

从图6可以看出，本发明实施例所制得的纳米β-Ga₂O₃/Cu₂O纳米复合结构在紫外和可见区域都有明显地吸收。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

利用低温水溶液方法，首先称取0.76g硝酸镓和0.42g六次甲基四氨，溶于100ml水溶液体系作为前驱物反应源，反应温度为90℃反应5小时制备氧化镓前驱体GaOOH。将生长的前驱体GaOOH置于退火炉中，于800℃加热2小时后自然冷却，获得β-Ga₂O₃纳米棒材料。将0.66g乙酸锌溶于100ml乙醇，制得ZnO籽晶过渡生长层溶液；将获得的β-Ga₂O₃纳米棒粉末置于制得的ZnO籽晶过渡生长层溶液中，在超声频率40kHz、输出功率400W条件下超声5分钟，分散后自然浸泡24小时后，过滤后，将粉末置于烘箱烘干，在200℃条件下加热30分钟后，自然冷却到室温。随后重复上述浸泡、过滤、加热过程三次，制得氧化镓/氧化锌籽晶过渡层附着在氧化镓纳米棒上的结构。将0.45g乙酸铜溶于100mL乙醇，快速搅拌均匀，制得混合溶液；将热处理后即生长有过渡籽晶的样品浸入混合反应溶液中，于70℃反应24小时。反应结束取出后用去离子水洗涤，烘干。随后置于加热炉中200℃条件下加热15分钟后自然冷却置室温，随后重复上述生长及加热过程三次。制得氧化镓/氧化亚铜纳米复合结构。

对样品进行了相应的表征测试结果如下：通过扫描电子显微镜及透射电子显微镜测试可以看出，合成的β-Ga₂O₃纳米棒其尺寸在500-800nm之间，其表面被Cu₂O纳米材料均匀包覆；包覆层的Cu₂O纳米材料的尺寸在50nm左右；通过吸收光谱测试显示合成纳米β-Ga₂O₃/Cu₂O纳米复合结构在紫外和可见区域都有明显地吸收。

实施例2

利用低温水溶液方法，首先称取0.51g硝酸镓和0.28g六次甲基四氨，溶于100ml水溶液体系作为前驱物反应源，反应温度为70℃,反应7小时，制备氧化镓前驱体GaOOH。将生长的前驱体GaOOH置于退火炉中，于600℃加热5小时后自然冷却，获得β-Ga₂O₃纳米棒材料。将0.15g乙酸锌溶于100ml乙醇，制得ZnO籽晶过渡生长层溶液；将获得的β-Ga₂O₃纳米棒粉末置于制得的ZnO籽晶过渡生长层溶液中，在超声频率40kHz、输出功率400W条件下超声5分钟，分散后自然浸泡12小时后，过滤后，将粉末置于烘箱烘干，在150℃条件下加热15分钟后，自然冷却到室温。随后重复上述浸泡、过滤、加热过程三次，制得氧化镓/氧化锌籽晶过渡层附着在氧化镓纳米棒上的结构。将0.2g乙酸铜溶于100mL乙醇，快速搅拌均匀，制得混合溶液；将热处理后即生长有过渡籽晶的样品浸入混合反应溶液中，于70℃反应12小时。反应结束取出后用去离子水洗涤，烘干。随后置于加热炉中150℃条件下加热30分钟后自然冷却置室温，随后重复上述生长及加热过程三次。制得氧化镓/氧化亚铜纳米复合结构。

一种基于氧化镓/氧化亚铜结构的纳米复合材料及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。