專利名稱：基于CVD法制備長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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本發(fā)明屬于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)生長領(lǐng)域，涉及一種利用程控?cái)U(kuò)散爐CVD法制備特殊長矛 狀Zn0納米/微米結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
納米材料是上世紀(jì)末發(fā)展起來的材料領(lǐng)域內(nèi)的新興研究方向，納米科學(xué)和技術(shù)主要是 在納米尺度上(0. 1-100nm之間)研究物質(zhì)的特性和相互作用。由于納米材料具有許多優(yōu) 良的物理化學(xué)性質(zhì)比如高比表面積、高電導(dǎo)、高硬度、高磁化率、高催化活性和化學(xué)活 性等，越來越受到科研工作者和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。
Zn0材料作為一種新型的寬帶隙半導(dǎo)體材料，其納米結(jié)構(gòu)的研究也是非常重要的研究
方向。制備ZnO納米結(jié)構(gòu)的方法有很多種，比較常用的有化學(xué)自組裝法、溶膠-凝膠法、
固-液-氣相沉積、CVD法、PLD法等等，而且采用不同的生長條件和生長方法，得到的ZnO
納米結(jié)構(gòu)也是多種多樣，比如納米線、納米球、納米帶、納米花，甚至還有類似DNA分子
結(jié)構(gòu)的雙螺旋結(jié)構(gòu)。這些ZnO納米結(jié)構(gòu)在催化劑、半導(dǎo)體顯示器件、半導(dǎo)體發(fā)光器件等方
面都具有巨大的應(yīng)用前景。
常見的制備方法也各有優(yōu)缺點(diǎn)，比如化學(xué)自組裝法和溶膠凝膠法制備工藝簡單，成本
低廉，但是由于反應(yīng)物純度低，所制備的ZnO納米結(jié)構(gòu)純度難以保證；PLD等方法則由于
設(shè)備真空度高，因而可以獲得純度〉99.999《度ZnO納米結(jié)構(gòu)，但是設(shè)備比較復(fù)雜，成本較
高，且不易于大規(guī)模制備；而固-液-氣相沉積和CVD法相對于以上幾種方法而言，具有設(shè)
備成本較低，可重復(fù)性高，且易于制備大面積ZnO納米結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種利用程控?cái)U(kuò)散爐CVD法制備特殊長矛狀ZnO納米/微米 結(jié)構(gòu)的工藝和方法。
本發(fā)明的目的技術(shù)方案如下基于CVD法制備長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的方法，其 特征在于
(l)設(shè)置程控?cái)U(kuò)散爐工作參數(shù)設(shè)置本底真空度為1.2Pa、最高加熱溫度為1100。C; 程控?cái)U(kuò)散爐使用石英反應(yīng)爐管；調(diào)節(jié)載氣為Ar氣，調(diào)節(jié)閥門控制流量為10-40sccm， Ar 氣壓保持在1-3X 103Pa; Ar氣純度〉99. 999%;基底材料為100面的p型Si，基底溫度設(shè)定為400-700°C;蒸發(fā)源的加熱溫度為800-1000°C，蒸發(fā)源質(zhì)量為5-20克；
(2) 制備蒸發(fā)源將高純ZnO粉末和高純C粉按摩爾比l: 2混合均勻得到混合物，以 此混合物作為程控?cái)U(kuò)散爐的蒸發(fā)源；
(3) 制備Zn0納米/微米結(jié)構(gòu)將步驟(2)所述蒸發(fā)源置于程控?cái)U(kuò)散爐中，啟動程控?cái)U(kuò) 散爐加熱蒸發(fā)源獲得ZnO納米/微米結(jié)構(gòu);所述ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的生長時(shí)間為1-3小時(shí)。
所述步驟(2)中高純ZnO粉末是指純度〉99. 999%的ZnO粉末，高純C粉是指純
度〉99. 999%的C粉，將蒸發(fā)源溫度加熱到800°C、卯0。C或IOOO'C 。 所述步驟(4)中基底溫度400。C、 500°C、 600。C或700。C。
所述步驟(5)中ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長時(shí)間為l-1.5小時(shí)；ZnO微米結(jié)構(gòu)的生長時(shí)間為 1.5-3小時(shí)。
本發(fā)明的方法制備的ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)外形是特殊長矛狀,純度>99. 999%。
特殊長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的生長程控?cái)U(kuò)散爐系統(tǒng)本底真空1.2Pa，蒸發(fā)源采
用高純(純度〉99.999%) ZnO粉末和高純(純度>99.999%) C粉末按摩爾比l: 2混合，蒸
發(fā)源溫度92(TC;載氣為高純Ar氣，流量25sccm，生長時(shí)氣壓保持在1. 6X 103Pa，生長
時(shí)間為卜1.5小時(shí)，襯底采用p-Si (100)，襯底溫度600'C。
該工藝的特點(diǎn)是(1)制備ZnO納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備為程控?cái)U(kuò)散爐，系統(tǒng)真空度1.2Pa;
(2)生長方法采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法；(3)蒸發(fā)源采用高純(純度〉99.999%) ZnO
粉末和高純(純度〉99.999%) C粉末按摩爾比l: 2混合，蒸發(fā)源區(qū)溫度920。C; (4)載氣
為高純Ar氣，流量25sccm，生長時(shí)氣壓保持在1. 6X 103Pa，生長時(shí)間為1-1. 5小時(shí)，襯
底采用p-Si (100),襯底溫度600'C。
本發(fā)明的ZnO納米或者微米結(jié)構(gòu)的制備方法，制備的特殊形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)在場 發(fā)射顯示領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。該方法具有工藝簡單，可控性和可重復(fù)性高，適用于 大面積ZnO納米結(jié)構(gòu)制備等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明制備ZnO納米結(jié)構(gòu)的CVD裝置示意圖。
圖2是本發(fā)明的特殊長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)X射線衍射2 0掃描圖樣。
圖3是本發(fā)明的特殊長矛狀ZnO納米結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖樣。
圖4為本發(fā)明的特殊長矛狀ZnO微米結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖樣。圖5為本發(fā)明的特殊長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的低溫光致發(fā)光光譜。
具體實(shí)施方式
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下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述
本發(fā)明提供一種利用程控?cái)U(kuò)散爐CVD法制備特殊長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的工藝和 方法。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案
實(shí)施例h
特殊長矛狀ZnO納米結(jié)構(gòu)的制備
(1) 程控?cái)U(kuò)散爐，如圖1所示，采用石英反應(yīng)爐管，最高加熱溫度1100。C，系統(tǒng)本 底真空度為1. 2Pa，制備方法為CVD法；
(2) 蒸發(fā)源采用高純(純度〉99.999%) ZnO粉末和高純(純度>99.999%) C粉末按摩 爾比l: 2混合，蒸發(fā)源溫度92(TC;
(3) 載氣為高純Ar氣，流量25sccra，生長時(shí)氣壓保持在1. 6X l03Pa;
(4) 襯底材料選用p-Si (100)或其它，襯底溫度600。C;
(5) 生長ZnO納米結(jié)構(gòu)的時(shí)間為l小時(shí)；獲得ZnO納米結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2:
特殊長矛狀ZnO微米結(jié)構(gòu)的制備
(1) 程控?cái)U(kuò)散爐，如圖1所示，采用石英反應(yīng)爐管，最高加熱溫度1100°C，系統(tǒng)本 底真空度為1. 2Pa,制備方法為CVD法；
(2) 蒸發(fā)源采用高純(純度〉99.999%) ZnO粉末和高純(純度>99.999%) C粉末按摩 爾比l: 2混合，蒸發(fā)源溫度92(TC;
(3) 載氣為高純Ar氣，流量25sccm，生長時(shí)氣壓保持在1. 6X 103Pa;
(4) 襯底材料選用p-Si (100)或其它，襯底溫度600。C;
(5) 生長ZnO微米結(jié)構(gòu)的時(shí)間為1.5小時(shí)；獲得ZnO微米結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明公開了一種利用程控?cái)U(kuò)散爐CVD法制備長矛狀ZnO納米或者微米結(jié)構(gòu)的方法。 此形貌的ZnO納米結(jié)構(gòu)在場發(fā)射顯示領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
長矛狀ZnO納米或者微米結(jié)構(gòu)的結(jié)晶性能采用粉末或者多晶衍射儀進(jìn)行測試，其結(jié)果 如圖2所示。從圖中可以看出，當(dāng)20角從2(T掃描到70°范圍內(nèi)，通過比對標(biāo)準(zhǔn)粉末 衍射卡片(JCPDS36-1451)，可以知道樣品的XRD圖樣上只有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO衍射 峰，其中Si (200)衍射峰來自基底，這表明制備的納米或者微米粉末是具有極純度>99. 999%度的Zn0。
長矛狀ZnO納米或者微米結(jié)構(gòu)的形貌特征采用JE0L JSF7000場發(fā)射掃描電子顯微鏡 進(jìn)行表征，其如圖2和圖3所示。圖2所示為長矛狀ZnO納米結(jié)構(gòu)的高分辨SEM圖樣，可 以看出，Zn0納米結(jié)構(gòu)的尺度約為200-300nm;圖3所示為長矛狀ZnO微米結(jié)構(gòu)的高分辨 SEM圖樣，可以看出ZnO微米結(jié)構(gòu)的尺度約為1-2咖。
長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的低溫光致發(fā)光光譜如圖4所示。從圖中可以看出，10K
低溫時(shí)，樣品PL譜中可以觀察到3個很強(qiáng)的發(fā)光峰，其中3. 360eV處為施主束縛激子D。X
發(fā)光峰，其半高寬僅為10meV，說明ZnO納米結(jié)構(gòu)具有很高的純度和較高的結(jié)晶質(zhì)量；隨
著溫度升高，其發(fā)光強(qiáng)度明顯減弱，且向低能方向移動；當(dāng)溫度上升到150K左右，束縛
激子發(fā)光猝滅，而此時(shí)自由激子發(fā)光FE逐漸占據(jù)優(yōu)勢。在D°X發(fā)光峰低能惻還可以觀察
到一個較強(qiáng)的發(fā)光峰S，位于3.305eV處，其半高寬為20meV，參照有關(guān)ZnO納米線低溫
發(fā)光的文獻(xiàn)，在S峰低能側(cè)，依次為DflX的一級聲子伴線D°X-LO、施主受主對(DAP)發(fā)
光及其一級聲子伴線DAP-LO等。
通過以上結(jié)果，可以證明，采用本發(fā)明的工藝，能制備純度〉99.999%度具有長矛狀形
貌的ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)；同時(shí)，此結(jié)構(gòu)與其它ZnO納米結(jié)構(gòu)相比，具有優(yōu)良的光學(xué)性能，
可在場發(fā)射顯示等方面發(fā)揮重要作用，具有很好的應(yīng)用前景，該方法具有工藝簡單，可控
性和可重復(fù)性高，適用于大面積ZnO納米結(jié)構(gòu)制備等優(yōu)點(diǎn)。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)
明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本
發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交
的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、基于CVD法制備長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于(1)設(shè)置程控?cái)U(kuò)散爐工作參數(shù)設(shè)置本底真空度為1.2Pa、最高加熱溫度為1100℃；程控?cái)U(kuò)散爐使用石英反應(yīng)爐管；調(diào)節(jié)載氣為Ar氣，調(diào)節(jié)閥門控制流量為10-40sccm，Ar氣壓保持在1-3×103Pa；Ar氣純度＞99.999％；基底材料為100面的p型Si，基底溫度設(shè)定為400-700℃；蒸發(fā)源的加熱溫度為800-1000℃，蒸發(fā)源質(zhì)量為5-20克；(2)制備蒸發(fā)源將高純ZnO粉末和高純C粉按摩爾比1∶2混合均勻得到混合物，以此混合物作為程控?cái)U(kuò)散爐的蒸發(fā)源；(3)制備ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)將步驟(2)所述蒸發(fā)源置于程控?cái)U(kuò)散爐中，啟動程控?cái)U(kuò)散爐加熱蒸發(fā)源獲得ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)；所述ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的生長時(shí)間為1-3小時(shí)。
2、 如權(quán)利要求1所述基于CVD法制備長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于 所述步驟(2)中高純ZnO粉末是指純度〉99. 999%的ZnO粉末，高純C粉是指純度〉99. 999%的C粉，將蒸發(fā)源溫度加熱到80(TC、 900。C或100(TC。
3、 如權(quán)利要求1所述基于CVD法制備長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述步驟(4)中基底溫度400。C、 500°C、 600。C或700。C。
4、 如權(quán)利要求1所述基于CVD法制備長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于: 所述步驟(5)中ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長時(shí)間為1-1.5小時(shí)；ZnO微米結(jié)構(gòu)的生長時(shí)間為1.5-3 小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于CVD法制備長矛狀ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)的方法，(1)設(shè)置程控?cái)U(kuò)散爐工作參數(shù)；(2)制備蒸發(fā)源將高純ZnO粉末和高純C粉按摩爾比1∶2混合均勻得到混合物，以此混合物作為程控?cái)U(kuò)散爐的蒸發(fā)源；(3)制備ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)將步驟(2)所述蒸發(fā)源置于程控?cái)U(kuò)散爐中，啟動程控?cái)U(kuò)散爐加熱蒸發(fā)源獲得ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)。采用本發(fā)明的方法，能制備純度＞99.999％具有長矛狀形貌的ZnO納米/微米結(jié)構(gòu)；同時(shí)，此結(jié)構(gòu)與其它ZnO納米結(jié)構(gòu)相比，具有優(yōu)良的光學(xué)性能，該方法具有工藝簡單，可控性和可重復(fù)性高，適用于大面積ZnO納米結(jié)構(gòu)制備等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C30B29/16GK101671815SQ20091002421
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月10日
發(fā)明者洵 侯, 張景文, 李高明, 東 王, 胡亞楠 申請人:西安交通大學(xué)