專利名稱：一種制備氧化鋅晶須陣列材料的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種在大氣開放式條件下采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法制備氧化鋅晶須陣列材料的裝置。
背景技術(shù)：
ZnO是II-VI族化合物半導(dǎo)體，屬于纖鋅礦結(jié)構(gòu)，由于它具有多種優(yōu)異的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，因此無(wú)論作為結(jié)構(gòu)材料還是功能材料，目前已經(jīng)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。ZnO材料本身具有優(yōu)良的光電、透明導(dǎo)電、壓電、氣敏、壓敏等特性。寬禁帶ZnO半導(dǎo)體為直接躍遷，室溫帶隙為3.37eV，且束縛激子能高達(dá)60meV，是一種具有很大潛在應(yīng)用價(jià)值的紫外半導(dǎo)體光電器件材料。它除了對(duì)可見光范圍透明，對(duì)紅外光有較強(qiáng)的反射以及有較低的電阻率外，還對(duì)玻璃有較強(qiáng)的附著力并且有良好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，在透明導(dǎo)體、發(fā)光元件、電極材料等方面有廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)晶須由于優(yōu)異的機(jī)械性能和一維方向上延長(zhǎng)的幾何形狀，在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中作為增強(qiáng)體已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用。然而作為低維材料中的一種，其本身的光、電、聲等功能特性的研究尚未引起人們的足夠重視。晶須具有無(wú)晶界、晶體缺陷少和具有特殊的尖端等特點(diǎn)，無(wú)論是單獨(dú)地作為低維材料，還是作為微型器件、低維復(fù)合材料的構(gòu)成體，在功能材料領(lǐng)域都將展現(xiàn)出其廣泛的應(yīng)用前景。影響晶須作為功能材料的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何使得晶須定向生長(zhǎng)和規(guī)則排列。只有解決傳統(tǒng)晶須雜亂分布的問題，才能利用晶須材料本身所具有的功能方面的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種制備高度定向規(guī)整排列ZnO晶須的裝置。該裝置在沉積過程中通過改變氣化溫度、基片溫度和載氣N2流速來(lái)作為晶須生長(zhǎng)的控制因素，從而得到不同形貌特征(直徑、長(zhǎng)度、分布密度、規(guī)則度)的ZnO陣列材料。該裝置獨(dú)特的噴嘴設(shè)計(jì)，大容積小口徑，能夠使得在基片表面形成一個(gè)具有較大過飽和度的濃度場(chǎng)，促進(jìn)ZnO的結(jié)晶和定向生長(zhǎng)。
本實(shí)用新型的一種制備ZnO一維材料的裝置，該裝置順著氣路通道依次安裝有氮?dú)馄?、以及?jì)量氮?dú)饬魉俚牧髁坑?jì)、液氮冷阱、氣化室、噴嘴裝置，以及提供基片加熱的基片臺(tái)；所述的氮?dú)馄恐亮髁坑?jì)之間設(shè)有對(duì)流量計(jì)進(jìn)行保護(hù)的截止氣閥；所述的液氮冷阱至氣化室之間的氣路通道上安裝有熱電偶、其外壁上纏繞有加熱帶，其加熱帶連接有調(diào)壓器，其熱電偶的測(cè)溫端緊貼氣路通道外壁，其接線端接入溫度顯示儀表；所述的氣化室外壁纏繞有加熱帶，其加熱帶連接有調(diào)壓器，在氣化室內(nèi)安裝有熱電偶，熱電偶接線端伸出氣化室并連接在溫度顯示儀表上；所述的氣化室至噴嘴裝置的氣路通道上設(shè)有封閉氣路的截止氣閥、熱電偶，氣路通道的外壁上纏繞有加熱帶，其加熱帶連接有調(diào)壓器，其熱電偶的測(cè)溫端緊貼氣路通道外壁，其接線端接入溫度顯示儀表；所述的基片臺(tái)與基片設(shè)有緊貼兩者的熱電偶，其接線端接入溫度顯示儀表；所述的基片表面與噴嘴裝置中的噴嘴底面相平行，與其法向方向相垂直。
本實(shí)用新型的制備裝置也可以由三路氣路通道以及各個(gè)氣路通道上的流量計(jì)、液氮冷阱、氣化室，同一噴嘴裝置、基片臺(tái)組成，此種制備裝置即可以同時(shí)進(jìn)行三種不同金屬有機(jī)物的沉積，也可單獨(dú)使用其中一路氣路通道進(jìn)行氣相沉積，還可以采用兩路氣路通道進(jìn)行沉積。此制備裝置中多氣路的的配合使用可以用來(lái)精確的進(jìn)行摻雜或多組分體系氧化物晶須的生長(zhǎng)。
所述裝置制備得到的ZnO一維材料晶須陣列為定向生長(zhǎng)、規(guī)整排列的形貌特征，其可以是圓柱狀晶須陣列、長(zhǎng)錐狀晶須陣列、板條狀晶須陣列。
本實(shí)用新型裝置的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)特的噴嘴設(shè)計(jì)，大容積小口徑，能夠使得在基片表面形成一個(gè)具有較大過飽和度的濃度場(chǎng)，促進(jìn)ZnO的結(jié)晶。該裝置包括有三路獨(dú)立的封閉氣路，可以進(jìn)行含有三種不同成分材料的沉積，可單獨(dú)使用也可共同沉積。兩路或是三路氣的配合使用可以用來(lái)精確的進(jìn)行摻雜或多組分體系化合物晶須的生長(zhǎng)。


圖1是本實(shí)用新型設(shè)備原理框圖。
圖2是本實(shí)用新型氣路通道上設(shè)備安裝的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型噴嘴裝置剖視圖。
圖中1.氮?dú)馄?.氣路通道3.流量計(jì)4.液氮冷阱5.氣化室6.加熱帶7.噴嘴裝置8.基片9.基片臺(tái)10.進(jìn)氣口11.噴口具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
首先對(duì)氣路通道上的設(shè)備安裝進(jìn)行說(shuō)明請(qǐng)參見附圖1～3所示，氣路通道2的一端連接在氮?dú)馄?上，氣路通道2的末端連接在噴嘴裝置7上。當(dāng)設(shè)計(jì)為三路氣路通道時(shí)，氣路通道并行排列且安裝的設(shè)備相同。下面用一路通道上安裝的設(shè)備進(jìn)行說(shuō)明設(shè)備的相對(duì)位置關(guān)系，在氣路通道2上按氮?dú)廨斎敕较蛞来伟惭b有截止氣閥、流量計(jì)3、液氮冷阱4、氣化室5、噴嘴裝置7，在液氮冷阱4至氣化室5的氣路通道2的外壁上纏繞有加熱帶，加熱帶連接有調(diào)壓器，此段的氣路通道2在纏繞加熱帶時(shí)安裝有用于測(cè)定溫度的一個(gè)熱電偶，熱電偶的測(cè)溫端緊貼在氣路通道2外壁上，其接線端連接在溫度顯示儀表上，通過儀表鍵盤進(jìn)行設(shè)定溫度操作(儀表為單輸入通道數(shù)字式智能儀表，型號(hào)XST/D-F、北京天辰自動(dòng)化儀表廠)；在氣化室5的外壁上纏繞有加熱帶，加熱帶連接有調(diào)壓器，在氣化室5內(nèi)安裝有熱電偶，熱電偶接線端伸出氣化室5并連接在溫度顯示儀表上(儀表為單輸入通道數(shù)字式智能儀表，型號(hào)XST/D-F、北京天辰自動(dòng)化儀表廠)；在氣化室5至噴嘴裝置7的氣路通道2上設(shè)有封閉氣路的截止氣閥，在此段氣路通道2的外壁上纏繞有加熱帶，加熱帶連接有調(diào)壓器，此段的氣路通道2在纏繞加熱帶時(shí)安裝有用于提供設(shè)定溫度、控制溫度的一個(gè)熱電偶，熱電偶的測(cè)溫端緊貼在氣路通道2的外壁，其接線端連接在溫度顯示儀表上(儀表為單輸入通道數(shù)字式智能儀表，型號(hào)XST/D-F、北京天辰自動(dòng)化儀表廠)；基片8放置在基片臺(tái)9上，且基片臺(tái)9上安裝有緊貼基片8與基片臺(tái)9兩者的一個(gè)熱電偶，其接線端連接在溫度顯示儀表上(儀表為智能數(shù)字顯示儀表，型號(hào)CH402/IMCH01-E2，日本RKC自動(dòng)化儀表設(shè)備公司)；基片8的位置應(yīng)當(dāng)與噴嘴裝置7中的噴口11底面的法向方向相垂直，并處于狹縫正下方。所述噴嘴裝置7為一個(gè)立方體形式的容積，可容納約0.6升含有金屬有機(jī)物的氣體。噴嘴裝置7下端設(shè)有一個(gè)50mm×0.5mm狹長(zhǎng)噴口11，使其內(nèi)部的氣體集中由此噴口11噴出，得到較大的金屬有機(jī)物濃度，形成大的過飽和度，促進(jìn)材料生長(zhǎng)。
在本實(shí)用新型的制備裝置，如圖1所示的結(jié)構(gòu)中，可以通過轉(zhuǎn)接件將從氮?dú)馄?中輸出的氮?dú)廪D(zhuǎn)接成三路氣路通道形式，而到噴嘴裝置7時(shí)同樣通過轉(zhuǎn)接件將其組合為一個(gè)氣路通道，各氣路通道通過各自的閥門進(jìn)行控制氮?dú)獾妮斎牖蜉敵?。在氣化?至噴嘴裝置7的氣路通道上，通過控制各個(gè)氣化室5的截止氣閥來(lái)控制氣路的通/斷，將不同金屬有機(jī)物混合并發(fā)生分解反應(yīng)以得到不同配比的多組分化合物一維材料。
本實(shí)用新型中提及的大氣開放，是指在基片上沉積ZnO材料時(shí)，不是在真空氛圍中進(jìn)行，而是在常壓大氣環(huán)境下進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積。
沉積ZnO材料時(shí)，首先將純度99％的乙酰丙酮化鋅Zn(C5H7O2)2·H2O(美國(guó)Alpha公司)置于氣化室中，由于乙酰丙酮化鋅被加熱到一定的溫度(105℃～120℃)時(shí)，產(chǎn)生一定Zn金屬有機(jī)源的飽和蒸氣壓，再在N2(純度為99.5％)用作載氣條件下，將氣化室里的Zn(C5H7O2)2蒸氣送到噴嘴裝置，在噴嘴裝置7內(nèi)的溫度下(約為200～280℃)，少量的Zn(C5H7O2)2會(huì)發(fā)生以下一系列的水解反應(yīng)(1)(2)已經(jīng)部分分解的Zn(C5H7O2)2由噴口11噴出，與空氣中的水繼續(xù)發(fā)生上述反應(yīng)，生成Zn(OH)2，在噴口11到基片臺(tái)9的過程中，由于溫度升高的原因，Zn(C5H7O2)2的乙酰丙酮基受熱直接分解。當(dāng)Zn(OH)2向溫度為500℃～600℃的基片8上沉積時(shí)，會(huì)進(jìn)一步受熱分解得到ZnO小團(tuán)簇，從而在基片8上發(fā)生沉積。
在本實(shí)用新型裝置中的預(yù)熱帶的加熱及氣化室的升溫由相應(yīng)的調(diào)壓器進(jìn)行，測(cè)溫由熱電偶及與其連接的儀表實(shí)現(xiàn)；基片臺(tái)9的升溫由電阻絲提供，對(duì)溫度的設(shè)定、控制由同熱電偶連接的儀表實(shí)現(xiàn)；噴口11到基片臺(tái)9的距離由升降臺(tái)調(diào)節(jié)，并用鋼尺量度(由于整個(gè)制備過程中高度是保持不變的)；沉積過程是通過控制載氣N2來(lái)進(jìn)行控制的，正式通入N2時(shí)沉積過程開始，停止N2的通入則結(jié)束整個(gè)沉積過程，時(shí)間為100min。
根據(jù)本實(shí)用新型裝置制備得到的ZnO晶須具有亞微米級(jí)的柱狀結(jié)晶特點(diǎn)，使其能夠形成單獨(dú)的Fabry-perot諧振腔并具有了合適增益的橫向限制，這樣ZnO晶須在結(jié)構(gòu)上尤其適合于受激輻射光頻放大器的激光發(fā)射和直接躍遷，可作為激光器材料。ZnO的發(fā)光性質(zhì)及電子輻射穩(wěn)定性使其成為一種很好的單色場(chǎng)發(fā)射低壓平面顯示器材料。利用ZnO晶須陣列形式規(guī)則定向排布的特性，可以在冷陰極發(fā)射顯示元件中得到應(yīng)用。在室溫下，便可利用其納米級(jí)的尖端(曲率半徑約幾十納米)在電場(chǎng)作用下發(fā)射出電子。ZnO具有機(jī)電耦合系數(shù)大、介電常數(shù)低等良好的壓電特性。在傳統(tǒng)1-3型壓電陶瓷聚合物復(fù)合材料中，壓電材料普遍采用對(duì)體材料進(jìn)行微加工，得到規(guī)則排列的壓電陶瓷柱。這樣造成了壓電材料的宏觀損傷，對(duì)于復(fù)合材料的耦合性能產(chǎn)生不良的影響。如果利用定向生長(zhǎng)的ZnO晶須來(lái)代替壓電陶瓷柱，再與聚合物進(jìn)行復(fù)合，將會(huì)得到性能優(yōu)良的1-3型壓電復(fù)合材料。ZnO材料光電導(dǎo)隨表面吸附的氣體種類和濃度不同會(huì)發(fā)生很大變化，并且晶須的比表面積很大，據(jù)此特點(diǎn)，規(guī)則排列的ZnO晶須可用來(lái)制作表面型氣敏器件，其經(jīng)某些元素?fù)诫s之后對(duì)有害性氣體、可燃?xì)怏w、有機(jī)蒸汽等具有很好的敏感性，可制成各種氣敏傳感器。
權(quán)利要求1.一種制備氧化鋅晶須陣列材料的裝置，包括氮?dú)馄?、基片、基片臺(tái)，其特征在于還包括流量計(jì)、液氮冷阱(4)、氣化室(5)、噴嘴裝置(7)；所述的裝置順著氣路通道(2)依次安裝有氮?dú)馄?1)、控制氮?dú)饬髁康牧髁坑?jì)(3)、去除氮?dú)庵兴值囊旱溱?4)、將金屬有機(jī)物氣化的氣化室(5)、容納金屬有機(jī)物氣體的噴嘴裝置(7)，以及位于噴嘴裝置(7)下方對(duì)基片(8)加熱的基片臺(tái)(9)；所述的氮?dú)馄?1)至流量計(jì)(3)之間安裝有對(duì)流量計(jì)進(jìn)行保護(hù)的截止氣閥；所述的液氮冷阱(4)至氣化室(5)之間的氣路通道(2)的外壁上纏繞有加熱帶，其加熱帶上連接有調(diào)壓器，其在氣路通道外壁間還設(shè)有熱電偶，其熱電偶的測(cè)溫端緊貼氣路通道外壁，其接線端接入溫度顯示儀表；所述的氣化室(5)外壁纏繞有加熱帶，其加熱帶上連接有調(diào)壓器，其在氣化室(5)內(nèi)設(shè)有熱電偶，其接線端伸出氣化室接入溫度顯示儀表；所述的氣化室(5)至噴嘴裝置(7)的氣路通道(2)上設(shè)有封閉氣路的截止氣閥，所述此段氣路通道(2)上纏繞有加熱帶，其加熱帶上連接有調(diào)壓器，其在氣路通道外壁間還設(shè)有熱電偶，其熱電偶的測(cè)溫端緊貼氣路通道外壁，其接線端接入溫度顯示儀表；所述的基片臺(tái)(9)上與基片(8)相接觸設(shè)有緊貼兩者的熱電偶，其接線端接入溫度顯示儀表，其基片(8)表面與噴嘴裝置(7)中的噴口(11)底面的法向方向相垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氧化鋅晶須陣列材料裝置，其特征在于所述的噴嘴裝置(7)底部設(shè)有一個(gè)狹長(zhǎng)噴口(11)，其尺寸為50mm×0.5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氧化鋅晶須陣列材料裝置，其特征在于在基片(8)上沉積ZnO材料處于大氣環(huán)境中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氧化鋅晶須陣列材料裝置，其特征在于所述的噴嘴裝置(7)中的進(jìn)氣口(10)可設(shè)有3個(gè)，其進(jìn)氣口(10)的軸線方向在同一平面內(nèi)相互夾角為60°。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種制備氧化鋅晶須陣列材料的裝置，所述的裝置順著氣路通道依次安裝有控制氮?dú)饬髁康牧髁坑?jì)、去除氮?dú)庵兴值囊旱溱?、將金屬有機(jī)物氣化的氣化室、容納金屬有機(jī)物氣體的噴嘴裝置，以及位于噴嘴裝置下方對(duì)基片加熱的基片臺(tái)，該裝置制備得到的ZnO晶須陣列為圓柱狀晶須陣列、長(zhǎng)錐狀晶須陣列、板條狀晶須陣列；該裝置中的噴嘴可以同時(shí)進(jìn)行三種不同金屬有機(jī)物滲混沉積，用來(lái)進(jìn)行精確的組分摻雜或多組分體系化合物晶須的生長(zhǎng)。
文檔編號(hào)C23C16/40GK2695450SQ20032012764
公開日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2003年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月15日
發(fā)明者張躍, 袁洪濤, 谷景華 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)