一種SnO₂三維多孔光子非晶半導體材料及其制備方法

專利名稱：一種SnO₂三維多孔光子非晶半導體材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及光子晶體、半導體材料與器件技術領域，具體地涉及一種SnA三維多孔光子非晶半導體材料及其制備方法。
背景技術：
自然界中很多鳥類的羽毛具有天然的結構色，這種顏色來自于羽毛內部的周期性結構，而非羽毛中的色素。關于周期性結構構成的光子晶體由于其具備的獨特的光傳輸特性等已經被廣泛研究。而另一種光子非晶材料，尤其是工作在可見光范圍內的光子非晶，也具有其獨特的光傳輸現象，比如光子局域化和隨機激光等，光子非晶與光子晶體材料不同的是只擁有短程序而缺少長程序。目前人們制備多孔結構的方法包括自組裝法、分相法等都不能用來制備缺少長程序的工作在可見光范圍內的光子非晶。
研究發現，桃臉鸚鵡羽毛的顏色來自于其內部的三維多孔光子非晶結構與外界光線的相互作用，把這種生物蛋白構成的光子非晶轉化成半導體氧化物便可以獲得具有三維光子非晶結構的半導體氧化物。SnO2是一種寬帶隙透明半導體材料，不僅擁有在其他半導體中少見的高透光率，而且它的折射率比生物蛋白高，這有利于抑制光子非晶的贗帶隙里的態密度，對于光子局域化具有重要的意義。
自組裝法可以用來制備三維多孔結構，然而它只能制備出周期性的結構，無法制備出只具有短程序缺乏長程序的光子非晶，分相法也可以用開制備三維多孔結構，然而它制備出得孔洞太大，無法與可見光范圍的波長相比擬。
本發明解決了上述現有技術在可見光范圍內的SnA的光子非晶制備方法困難、無法制備出只具有短程序的光子非晶等問題，提出了一種利用溶膠凝膠法填充模板再高溫去除模板得到SnO2三維多孔光子非晶半導體材料的制備方法，其具有模板易取得，方法簡單、 成本低、重復性高等有益效果。本發明制備的SnA三維多孔光子非晶半導體材料具有高透光性、高折射率、工作在可見光范圍等優點，擁有明顯的綠色的結構色，可以在光子顯微鏡下清晰地看到，可作為良好的光電材料，同時適用于納米光電子器件的應用，在光電器件方面和光子局域化研究方面具有良好應用前景。發明內容
本發明提出了一種SnO2H維多孔光子非晶半導體材料，包括玻璃襯底和生長在所述玻璃襯底表面的SnA三維多孔光子非晶結構晶體。
其中，所述SnO2三維多孔光子非晶結構晶體是具有三維多孔的雙連通的網絡結構，具有光學顯微鏡下可見的綠色結構色。
其中，所述三維多孔結構的孔直徑lOO-llOnm，所述網絡結構的網脊長度為 60-90nm。
本發明還提出了一種SnA三維多孔光子非晶半導體材料的制備方法，包括 步驟a、將SnCl2 · 2H20結晶體、無水乙醇和去離子水混合，經攪拌、靜置，制成前軀體溶液；步驟b、將所述前軀體溶液滴到桃臉鸚鵡羽毛切片的邊緣處，將所述切片在室溫下晾干；步驟c、將所述切片以1°C /min升溫至450-600°C后，反應1_2小時，得到所述SnA三維多孔光子非晶半導體材料。
其中，所述步驟a中SnCl2 · 2H20結晶體、無水乙醇和去離子水的摩爾比為 1:100:100-1:150:150ο
其中，所述步驟a中SnCl2 · 2H20結晶體的純度為98. 5% ；所述無水乙醇為分析純。
其中，所述步驟c中將所述切片置于石英舟中，放到水平放置的氧化鋁管式爐中進行升溫。
本發明的目的之一在于提供一種工作在可見光范圍內的SnA三維多孔光子非晶半導體材料，包括玻璃襯底和生長在襯底表面的SnO2H維多孔光子非晶結構晶體。其中， 所述SnA光子非晶結構晶體具有三維多孔的雙連通的網絡結構。本發明中，SnA三維多孔光子非晶結構晶體為短程序結構，具有光學顯微鏡下可見的綠色的結構色，因此三維多孔的孔結構的統計意義上周期與可見光范圍中綠光的波長(500-560nm)可相比擬。Sr^2網絡本身是連續的，可以看作一個連通通道，其中的孔結構也是連續的，可以看作另一個連通通道，所以構成了雙連通的網絡結構。
本發明提供在玻璃襯底上生長SnA三維多孔光子非晶結構晶體的半導體材料， 其SnO2三維多孔光子非晶結構晶體的nm結構具有短程序，三維多孔結構的孔直徑約為 100-1 IOnm, SnO2網絡是網脊中間較細(約60nm)，末端較粗(約90nm)的結構。在本發明中， 三維多孔的孔結構可以看作一個連通的通道，而SnA網絡結構可以看作另一個通道，形成雙連通結構。本發明提供的所述的SnA三維多孔光子非晶半導體材料，在國際上尚屬首次報道。
本發明的第二個目的在于提供利用生物模板制備SnA三維多孔光子非晶半導體材料的制備方法。現有方法如自組裝法可以用來制備三維多孔結構，然而它只能制備出周期性的結構，無法制備出只具有短程序缺乏長程序的光子非晶，另外，分相法也可以用開制備三維多孔結構，然而該方法制備出得孔洞太大，無法與可見光范圍的波長相比擬。本發明制備方法可以解決上述現有工作在可見光范圍內的SnO2的光子非晶制備方法困難的問題， 提供一種低成本，高重復性的新方法。
本發明方法中，前軀體溶液沿著鸚鵡羽毛切片中孔洞的填充以及模板的高溫去除形成了 SnA網絡結構，具體首先將微量前軀體填入三維多孔模板，控制前軀體的量，再通過控制管式爐的反應溫度和維持時間等利用高溫去除生物模板從而合成了二氧化錫的三維多孔結構。相對于以前合成的nm結構，本發明的突出特點是所采用的桃臉鸚鵡羽毛切片模板是生物模板，來自于大自然，環保無污染、成本低、數量多。前軀體制備簡單，不需要加熱，不需要長時間攪拌，降低了對設備的要求。模板在高溫下易去除，對爐子也無污染，可長期重復使用。本發明制備方法簡單，成本低，重復性好。本發明采用透明的玻璃作為襯底， 合成SnA三維多孔光子非晶半導體材料繼承了原模板的結構色，適用于納米光電子器件的發展中。


圖1是原桃臉鸚鵡羽毛模板的SEM放大圖，插圖為整體圖。
圖2是SnA三維多孔光子非晶半導體材料的SEM整體圖。
圖3是SnA三維多孔光子非晶半導體材料的高倍SEM圖。
具體實施方式
結合以下具體實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的保護內容不局限于以下實施例。在不背離發明構思的精神和范圍下，本領域技術人員能夠想到的變化和優點都被包括在本發明中，并且以所附的權利要求書為保護范圍。
本發明利用桃臉鸚鵡羽毛為模板合成SnA三維多孔光子非晶半導體材料的制備方法，包括如下步驟步驟a、將SnCl2 ·2Η20結晶體、無水乙醇和去離子水以1:100:100-1:150:150的摩爾比例混合作為源放到燒杯中，磁力攪拌2小時后靜置12小時，制成前軀體；其中，SnCl2 · 2Η20 的純度為99. 5% ；無水乙醇和去離子水純度為分析純。
步驟b、將1 5 μ L前軀體滴到桃臉鸚鵡羽毛切片的邊緣處，然后將切片在室溫下晾干約2小時。
步驟C、將切片放在石英舟中，放到水平放置的氧化鋁管式爐中部，將升溫速度設置為l°C/min，升溫至450-600°C后保持1-2小時，得到產物本發明SnO2三維多孔光子非晶半導體材料。其中，水平放置的氧化鋁管式生長爐長度為70-100cm，直徑為6-lOcm。
實施例1本發明利用桃臉鸚鵡羽毛為模板合成SnA三維多孔光子非晶半導體材料的方法，具體步驟如下1、將鸚鵡羽毛洗凈切片放在玻璃襯底上。
2、將SnCl2 ·2Η20結晶體、無水乙醇和去離子水以1:100:100的摩爾比例混合作為源放到燒杯中，形成渾濁的溶液。
3、將溶液經磁力攪拌2小時后靜置過夜約12小時后，溶液變成透明的單相液體， 制成前軀體溶液。
4、將2μ L前軀體溶液滴在玻璃襯底上桃臉鸚鵡羽毛切片的邊緣處，利用毛細效應將前軀體滲透進羽毛的空隙中，然后將切片在室溫下晾干約2小時。
5、將切片放在石英舟中，放到管式爐中部，溫度設置為1°C /min，升到450°C后保持2小時。
6、取出石英舟和玻璃片，玻璃片上原羽毛切片已經去除，在玻璃襯底上留下SnA 三維多孔光子非晶結構晶體。
觀察模板并檢測所制得的本發明SnA三維多孔光子非晶半導體材料，圖1顯示的是原模板擁有光子非晶結構區域的放大圖，插圖顯示的是原桃臉鸚鵡羽毛模板整體切片圖。圖2顯示的是SnO2S維多孔光子非晶結構晶體的SEM整體圖。圖3顯示的是SnO2三維多孔光子非晶結構晶體中具有三維多孔光子非晶結構的區域的放大圖，三維多孔結構的孔直徑lOO-llOnm，SnO2網絡結構的網脊中間較細為60nm左右，末端較粗為90nm左右。
三維多孔的孔結構的統計意義上周期與可見光范圍中綠光的波長(500-560nm)可相比擬。SnA網絡本身是連續的，形成一個連通通道，其中的孔結構也是連續的，形成另一個連通通道，構成了雙連通的網絡結構。SnO2三維多孔光子非晶結構晶體的光鏡圖，顯示了和原桃臉鸚鵡羽毛模板一樣的綠色結構色。
實施例2本發明利用桃臉鸚鵡羽毛為模板合成SnA三維多孔光子非晶半導體材料的方法，具體步驟如下1、將鸚鵡羽毛洗凈切片放在玻璃襯底上。
2、將SnCl2 ·2Η20結晶體、無水乙醇和去離子水以1:150:150的摩爾比例混合作為源放到燒杯中，形成渾濁的溶液。
3、將溶液經磁力攪拌2小時后靜置過夜約12小時后，溶液變成透明的單相液體， 制成前軀體溶液。
4、將5μ L前軀體溶液滴在玻璃襯底上桃臉鸚鵡羽毛切片的邊緣處，利用毛細效應將前軀體滲透進羽毛的空隙中，然后將切片在室溫下晾干約2小時。
5、將切片放在石英舟中，放到管式爐中部，溫度設置為1°C /min，升到600°C后保持1小時。
6、取出石英舟和玻璃片，玻璃片上原羽毛切片已經去除，在玻璃襯底上留下SnA 三維多孔光子非晶結構晶體。
觀察模板并檢測所制得的本發明SnA三維多孔光子非晶半導體材料，圖1顯示的是原模板擁有光子非晶結構區域的放大圖，插圖顯示的是原桃臉鸚鵡羽毛模板整體切片圖。圖2顯示的是SnO2S維多孔光子非晶結構晶體的SEM整體圖。圖3顯示的是SnO2三維多孔光子非晶結構晶體中具有三維多孔光子非晶結構的區域的放大圖，三維多孔結構的孔直徑lOO-llOnm，SnO2網絡結構的網脊中間較細為60nm左右，末端較粗為90nm左右。
三維多孔的孔結構的統計意義上周期與可見光范圍中綠光的波長(500-560nm)可相比擬。SnA網絡本身是連續的，形成一個連通通道，其中的孔結構也是連續的，形成另一個連通通道，構成了雙連通的網絡結構。SnO2三維多孔光子非晶結構晶體的光鏡圖，顯示了和原桃臉鸚鵡羽毛模板一樣的綠色結構色。
權利要求
1.一種SnO2三維多孔光子非晶半導體材料，其特征在于，包括玻璃襯底和生長在所述玻璃襯底表面的SnA三維多孔光子非晶結構晶體。
2.根據權利要求1所述的SnO2三維多孔光子非晶半導體材料，其特征在于，所述SnO2 三維多孔光子非晶結構晶體是具有三維多孔的雙連通的網絡結構，具有光學顯微鏡下可見的綠色結構色。
3.根據權利要求2所述的SnO2三維多孔光子非晶半導體材料，其特征在于，所述三維多孔結構的孔直徑為lOO-llOnm，所述網絡結構的網脊長度為60-90nm。
4.一種如權利要求1-3中任意一項權利要求所述SnO2三維多孔光子非晶半導體材料的制備方法，其特征在于，包括步驟a、將SnCl2 · 2H20結晶體、無水乙醇和去離子水混合，經攪拌、靜置，制成前軀體溶液；步驟b、將所述前軀體溶液滴到桃臉鸚鵡羽毛切片的邊緣處，將所述切片在室溫下晾干；步驟c、將所述切片以1°C /min升溫至450-600°C后，反應1_2小時，得到所述Sr^2三維多孔光子非晶半導體材料。
5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟a中SnCl2· 2H20結晶體、 無水乙醇和去離子水的摩爾比為1 100:100-1 150:150。
6.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟a中SnCl2· 2H20結晶體的純度為98. 5% ；所述無水乙醇為分析純。
7.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟c中將切片置于石英舟中， 放到水平放置的氧化鋁管式爐中進行升溫。
全文摘要
本發明公開了一種SnO2三維多孔光子非晶半導體材料，包括玻璃襯底和生長在所述玻璃襯底表面的SnO2三維多孔光子非晶結構晶體。本發明還提出了一種SnO2三維多孔光子非晶半導體材料的制備方法，將SnCl2·2H2O結晶體、無水乙醇和去離子水混合制備為前驅體溶液，以桃臉鸚鵡羽毛切片為模板，利用溶膠凝膠法填充模板再高溫去除模板進行制備。本發明制備方法具有成本低、重復性高等優點，所制備的SnO2三維多孔光子非晶半導體材料在光電器件方面和光子局域化研究方面具有良好應用前景。
文檔編號C03C17/23GK102503167SQ20111032956
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者廖娜, 張正犁, 朱自強, 郁可 申請人:華東師范大學