[发明专利]一种发光颜色可调的半导体发光材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光材料领域，特别涉及一种发光颜色可调的半导体发光材料。

背景技术

在当前全球能源短缺的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，半导体发光材料作为一种新型的绿色光源产品，具有寿命长、尺寸小、环保、节能、光电转换效率高等优点，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以半导体照明为代表的新型照明光源时代。

半导体发光材料主要包括未掺杂的半导体发光材料和掺杂的半导体发光材料。ZnO是一种宽带隙(室温下3.37eV) Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，相对于带隙同样很高的氮化镓，氧化锌具有更大的激子结合能（室温下约60 meV），因而发光亮度更高，因此常用来制造激光二极管和发光二极管。另外，在ZnO中掺入杂质元素能有效地调节其发光性能，使其发光范围覆盖红光到紫外，有望开发出紫外、蓝光和绿光等多种器件。由于这些特性，ZnO作为半导体照明器件的极佳候选材料引起了人们广泛的兴趣，目前对于纯ZnO及掺杂ZnO的制备已有较多方法报道，如磁控溅射、化学气相沉积、溶胶-凝胶、离子注入等，然而由于半导体自身的自纯化效应，掺杂离子更容易趋于表面分布，导致很难实现有效掺杂。因此目前所采用的制备方法要么设备成本较高，操作复杂，要么掺杂效率低，并且制备出来的发光材料发光颜色单一。这就要求我们寻求一种制备方法简单，成本低廉且掺杂效率高的新型发光材料。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种发光颜色可调的半导体发光材料及制备方法，该发光材料制备方法简单、成本低廉、掺杂效率高，并且依据本发明制备的半导体发光材料的发光颜色可调。

本发明的技术方案： 

一种发光颜色可调的半导体发光材料，为掺杂ZnO/纯ZnO核壳结构，以掺杂ZnO为内核，纯ZnO包覆于掺杂 ZnO核的表面形成壳层，在纯ZnO壳层中包含有由于自纯化效应自内核扩散至壳层的掺杂离子。

所述掺杂ZnO内核的大小为15 nm，纯ZnO壳层的厚度为3-5 nm。

一种所述发光颜色可调的半导体发光材料的制备方法，步骤如下：

1）将锌源和掺杂源与溶剂混合，超声溶解30 分钟，得到锌源和掺杂源的前驱液；

2）将羟基源与溶剂混合，超声溶解30 分钟，得到羟基源的前驱液，在水浴加热条件下，将上述羟基源的前驱液加入锌源和掺杂源的前驱液中，磁力搅拌2 小时，制得掺杂的ZnO；

3）将上述掺杂的ZnO在分散于同步骤1相同的溶剂中，超声分散1小时；

4）将锌源与同步骤1相同的溶剂混合，超声溶解30 分钟，再次制备锌源的前驱液，将配制的该锌源的前驱液缓慢加入到步骤3所得的掺杂ZnO溶液中，磁力搅拌10分钟； 

5）将羟基源与同步骤1相同的溶剂混合，超声溶解30 分钟，再次制备羟基源的前驱液，将配制的该羟基源的前驱液缓慢加入到步骤4所得的锌源与掺杂ZnO的混合溶液中，磁力搅拌10 分钟，然后将上述混合液于水浴加热条件下充分反应2小时；

6）将上述反应液中的沉淀物分离，沉淀物分别用去离子水和无水乙醇洗涤，干燥后，即可制得发光颜色可调的半导体发光材料。

所述溶剂为无水乙醇或去离子水。

所述锌源为乙酸锌、硝酸锌或氯化锌，掺杂源为乙酸铜、硝酸铜或氯化铜；锌源和掺杂源的总量中锌源的质量百分比大于95%，余量为掺杂源，锌源和掺杂源的总量与溶剂的用量比为0.01 -0.05g/ml。

所述羟基源为氢氧化钠、氢氧化锂或氢氧化钾，其中羟基源与溶剂的用量比为0.04 -0.06g/ml。

所述水浴加热的温度为70-90 ℃；沉淀物的干燥温度为40-60 ℃。

本发明的优点是：该发光颜色可调的半导体发光材料为掺杂ZnO/纯ZnO核壳结构，表面纯ZnO的包覆克服了掺杂半导体的自纯化效应，提高了掺杂效率；另外，实现了纯ZnO与掺杂ZnO的结合，丰富了能级分布，可以通过改变激发波长改变材料的发光颜色，实现材料的发光颜色可调；此外这种发光材料采用溶液合成方法制备，工艺简单、易于操作，且降低了设备成本，易于规模化生产。

附图说明

图1为具有核壳结构的ZnO半导体发光材料的结构示意图。

图中：1.纯ZnO壳     2.掺杂ZnO核    3.掺杂离子   

4.从掺杂ZnO核中扩散至纯ZnO壳层的掺杂离子

图2为不同波长激发光激发的具有核壳结构的ZnO：Cu/ZnO的荧光发射光谱图。

图3为不同波长激发光激发的未掺杂ZnO的荧光发射光谱图。