專利名稱：一種單晶氧化鋅納米柱陣列及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氧化物半導(dǎo)體納米材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及納米氧化鋅材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅(ZnO)是第三代半導(dǎo)體的核心基礎(chǔ)材料，因其具有非常優(yōu)越的光電性能而被譽(yù)為“二十一世紀(jì)半導(dǎo)體”，它主要應(yīng)用在紫外半導(dǎo)體激光器、紫外發(fā)光二極管、紫外探測(cè)器、壓電和表面聲波器件等領(lǐng)域。ZnO是一種具有六方結(jié)構(gòu)的自激活寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度為3.36eV，激子激活能達(dá)60meV，使得ZnO可以有效地工作于室溫(26meV)及更高的溫度。ZnO具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，而且原料易得、價(jià)廉、無(wú)毒，制備方法多樣。近年來(lái)，各種形態(tài)的ZnO納米結(jié)構(gòu)相繼被制備出來(lái)，如納米線、納米帶、納米管、納米柱以及四角針狀納米結(jié)構(gòu)等，這些ZnO納米材料以其獨(dú)特的光電特性迅速引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[Chang Pai-Chun，Chien Chung-Jen，Stichtenoth Daniel，Ronning Carsten，Lu JiaGrace，Applied Physics Letters，90(2007)113101-3；Congkang Xu，Junghwan Chun，RhoK.，Hyo Jin Lee，Yoon Hee Jeong，Dong-Eon Kim，Bonghwan Chon，Sangsu Hong，Joo T.，Applied Physics Letters，89(2006)93117-1-3；A.Wei，X.W.Sun，C.X.Xu，Z.L.Dong，M.B.Yu，W.Huang，Appl.Phys.Lett.88(2006)213102-4；Shuyan Gao，Hongie Zhang，Xiaomei Wang，Ruiping Deng，Dehui Sun，Guoli Zheng，Journal of Physical Chemistry B，110(2006)15847-52；Wan Q.，Wang T.H.，Zhao J.C.，Applied Physics Letters，87(2005)83105-1-3]。從器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用的角度來(lái)講，制備出高度取向和高結(jié)晶質(zhì)量的ZnO納米陣列尤為重要，另外，采用硅片作為ZnO納米陣列的襯底也有利于器件的集成。本發(fā)明采用低溫物理氣相沉積方法成功地在硅襯底上制備出大面積ZnO納米柱陣列，它們的取向性和結(jié)晶質(zhì)量均非常高，可用于紫外激光和發(fā)光器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在硅襯底上低溫制備出高結(jié)晶質(zhì)量、高度取向和高純度的ZnO納米柱陣列的方法，并實(shí)現(xiàn)陣列的可控制備和大面積低成本合成。
本發(fā)明的ZnO納米柱陣列為六方纖維鋅礦結(jié)構(gòu)，納米柱為單晶，在其光致發(fā)光譜中可以觀察到近帶邊激子發(fā)射。
本發(fā)明的具體工藝如下
1)將硅片分別在丙酮和酒精中超聲清洗25～30min，并用去離子水沖洗干凈。然后在硅片上蒸鍍一層0.5～2nm厚的金催化劑薄膜。
2)將高純Zn粉(99.99％)作為蒸發(fā)源放在石英舟中，鍍有金膜的硅襯底斜放在距蒸發(fā)源7～9mm處。
3)將石英舟放置在水平管式爐中，充入流量為150～200標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘的氬氣作為保護(hù)氣氛。
4)將管式爐升溫至470～520℃，蒸發(fā)150～200min后，將溫度降至室溫。
5)將樣品從管式爐中取出，硅片表面的灰白色沉積物即為ZnO納米柱陣列。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明制備出的ZnO納米柱陣列的取向性非常高，納米柱為單晶，在其光致發(fā)光譜中觀察到ZnO的近帶邊激子發(fā)射，這在新型納米陣列器件的制備方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和明顯的優(yōu)勢(shì)。
ZnO納米柱陣列的合成溫度比較低(～500℃)，而且可以在硅襯底上制備出高質(zhì)量的陣列，這有利于采用目前以硅基為基礎(chǔ)的微加工工藝實(shí)現(xiàn)器件的集成。
本發(fā)明采用的設(shè)備簡(jiǎn)單，原料廉價(jià)，工藝簡(jiǎn)單易行，成本很低，產(chǎn)率高；而且容易大面積合成，反應(yīng)條件可控，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1本發(fā)明所制備出的產(chǎn)物的掃描電鏡圖譜，從圖上可知，獲得產(chǎn)物的產(chǎn)率很高，硅襯底上沉積有大面積取向單一的納米柱。單個(gè)ZnO納米柱的選區(qū)衍射結(jié)果表明為六方結(jié)構(gòu)的單晶(圖1左下角插圖)。右上角插圖為單個(gè)ZnO納米柱的高分辨圖，發(fā)現(xiàn)ZnO納米柱為結(jié)晶質(zhì)量非常高的單晶，沒(méi)有出現(xiàn)位錯(cuò)、層錯(cuò)、雜質(zhì)相等缺陷。
圖2 ZnO納米柱陣列的X射線衍射圖譜，產(chǎn)物為六方纖維鋅礦結(jié)構(gòu)并沿c軸方向生長(zhǎng)(圖2)。插圖為ZnO納米柱陣列(002)晶面的回?cái)[曲線，其半峰寬非常窄，只有0.08°，說(shuō)明c軸與硅襯底保持高度垂直。
圖3室溫下ZnO納米柱陣列的Raman圖譜，ZnO納米柱陣列只出現(xiàn)了E2峰，且其半峰寬只有7.5nm，表明本發(fā)明制備出的陣列不僅具有良好的取向性，而且具有很高的結(jié)晶質(zhì)量。
圖4 ZnO納米柱陣列中束縛激子(□)和自由激子(■)的發(fā)光強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。在低于70K時(shí)發(fā)射譜中束縛激子線占主導(dǎo)地位，而且也可觀察到自由激子峰，說(shuō)明本發(fā)明合成的ZnO納米柱陣列品質(zhì)很好，具有很強(qiáng)的激子發(fā)射特性，這種結(jié)構(gòu)可以滿足制造納米陣列激光器。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例11)將硅片分別在丙酮和酒精中超聲清洗25min，并用去離子水沖洗干凈。然后在硅片上蒸鍍一層2nm厚的金催化劑薄膜。
2)將高純Zn粉(99.99％)作為蒸發(fā)源放在石英舟中，鍍有金膜的硅襯底斜放在距蒸發(fā)源8mm處。
3)將石英舟放置在水平管式爐中，充入流量為200標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘的氬氣作為保護(hù)氣氛。
4)將管式爐升溫至500℃，蒸發(fā)200min后，將溫度降至室溫。
5)將樣品從管式爐中取出，硅片表面的灰白色沉積物即為ZnO納米柱陣列。
實(shí)施例21)將硅片分別在丙酮和酒精中超聲清洗28min，并用去離子水沖洗干凈。然后在硅片上蒸鍍一層1.5nm厚的金催化劑薄膜。
2)將高純Zn粉(99.99％)作為蒸發(fā)源放在石英舟中，鍍有金膜的硅襯底斜放在距蒸發(fā)源7mm處。
3)將石英舟放置在水平管式爐中，充入流量為150標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘的氬氣作為保護(hù)氣氛。
4)將管式爐升溫至475℃，蒸發(fā)200min后，將溫度降至室溫。
5)將樣品從管式爐中取出，硅片表面的灰白色沉積物即為ZnO納米柱陣列。
實(shí)施例31)將硅片分別在丙酮和酒精中超聲清洗30min，并用去離子水沖洗干凈。然后在硅片上蒸鍍一層0.7nm厚的金催化劑薄膜。
2)將高純Zn粉(99.99％)作為蒸發(fā)源放在石英舟中，鍍有金膜的硅襯底斜放在距蒸發(fā)源9mm處。
3)將石英舟放置在水平管式爐中，充入流量為200標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘的氬氣作為保護(hù)氣氛。
4)將管式爐升溫至515℃，蒸發(fā)160min后，將溫度降至室溫。
5)將樣品從管式爐中取出，硅片表面的灰白色沉積物即為ZnO納米柱陣列。
權(quán)利要求
1.一種單晶氧化鋅納米柱陣列，其特征在于ZnO納米柱陣列為六方纖維鋅礦結(jié)構(gòu)，納米柱為單晶，在其光致發(fā)光譜中觀察到近帶邊激子發(fā)射。
2.一種制備權(quán)利要求1所述單晶氧化鋅納米柱陣列的方法，其特征在于工藝為；(1)將硅片分別在丙酮和酒精中超聲清洗25～30min，并用去離子水沖洗干凈；然后在硅片上蒸鍍一層0.5～2nm厚的金催化劑薄膜；(2)將高純Zn粉作為蒸發(fā)源放在石英舟中，鍍有金膜的硅襯底斜放在距蒸發(fā)源7～9mm處；(3)將石英舟放置在水平管式爐中，充入流量為150～200標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘的氬氣作為保護(hù)氣氛；(4)將管式爐升溫至470～520℃，蒸發(fā)150～200min后，將溫度降至室溫；(5)將樣品從管式爐中取出，硅片表面的灰白色沉積物為ZnO納米柱陣列。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，高純Zn粉為99.99％的純度。
全文摘要
一種單晶氧化鋅納米柱陣列及其制備方法，屬于氧化物半導(dǎo)體納米材料技術(shù)領(lǐng)域。ZnO納米柱陣列為六方纖維鋅礦結(jié)構(gòu)。工藝為將硅片分別在丙酮和酒精中超聲清洗25～30min，并用去離子水沖洗干凈；然后在硅片上蒸鍍一層0.5～2nm厚的金催化劑薄膜；將高純Zn粉作為蒸發(fā)源放在石英舟中，鍍有金膜的硅襯底斜放在距蒸發(fā)源7～9mm處；將石英舟放置在水平管式爐中，充入流量為150～200標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘的氬氣作為保護(hù)氣氛；將管式爐升溫至470～520℃，蒸發(fā)150～200min后，硅片表面的灰白色沉積物為ZnO納米柱陣列。優(yōu)點(diǎn)在于，制備出的ZnO納米柱陣列的取向性非常高，納米柱為單晶，設(shè)備簡(jiǎn)單，原料廉價(jià)，工藝簡(jiǎn)單易行，成本很低，產(chǎn)率高。
文檔編號(hào)C30B25/02GK101070614SQ200710099799
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月30日
發(fā)明者常永勤, 俞大鵬 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)