專利名稱：一種直徑和長(zhǎng)度可控的鎢晶須陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種w晶須陣列制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種直徑
和長(zhǎng)度可控的鎢晶須陣列的制備方法。
背景技術(shù)：
難熔金屬W具有高密度(19.3 g/cm3)、高熔點(diǎn)(~3420 °C，所
有金屬中最高)、低蒸汽壓(所有金屬中最低)和高電子發(fā)射率，優(yōu) 異的高溫力學(xué)性能，抗強(qiáng)酸和強(qiáng)堿腐蝕性等特性。W晶須因其髙密 度、高熔點(diǎn)、高彈性模量( 400GPa)、高強(qiáng)度( 28GPa)等一系 列獨(dú)特性能，而成為制作高性能鎢合金穿甲彈的理想材料，有望能替 代具有輻射性的貧鈾彈。同時(shí)，有研究表明W納米晶須在穩(wěn)定性和 場(chǎng)增益等重要性能參數(shù)上要優(yōu)于碳納米管，因此由W納米晶須組成 的陣列是非常理想的場(chǎng)電子發(fā)射源。此外，w納米晶須，因?yàn)槠鋬?yōu)
異的電學(xué)性能，在微-納電子元器件中具有廣泛的應(yīng)用前景。
在本項(xiàng)發(fā)明之前，有關(guān)W微/納米晶須陣列的合成方法有三種。 (1)高溫物理氣相沉積法在1500 1600。C的溫度下蒸發(fā)鎢源，通 過(guò)物理氣相沉積方式形成W晶須陣列；(2)氧化鉤納米晶須還原法 先合成氧化鉤納米晶須陣列，再在還原氣氛中使其轉(zhuǎn)換為W晶須陣金屬W膜在退火過(guò)程中的自催化 方式形成W納米晶須陣列。上述第一種方法要求的反應(yīng)溫度非常高， 且很難對(duì)形成的W晶須的直徑和長(zhǎng)徑比進(jìn)行控制；上述第二種方法 無(wú)法合成具有長(zhǎng)徑比較高的單晶W晶須，且實(shí)驗(yàn)條件非常苛刻；上 述第三種方法所合成的W納米晶須的長(zhǎng)度通常只在2微米以內(nèi)，無(wú) 法合成高長(zhǎng)徑比的W晶須。上述方法的種種不足，大大制約了 W晶 須的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種工藝合理、操作方 便、設(shè)備簡(jiǎn)單、合成溫度低、產(chǎn)率高、所合成的鎢晶須直徑和長(zhǎng)度可 控的鎢晶須陣列的制備方法。
本發(fā)明一種直徑和長(zhǎng)度可控的鎢晶須陣列的制備方法，包括以下 工藝步驟
第一步將粒度為100 ~ 600目、純度為98% 99.99%的W03 粉末及沉積基底依次放置于爐內(nèi)氣氛為惰性氣體或氮?dú)獾姆磻?yīng)爐中， 所述沉積基底距W03粉末5 10mm,加熱至850 ~ 1100 °C;
第二步、從所述反應(yīng)爐中放置有W03粉末的一端通入攜帶有水 蒸汽的流動(dòng)載氣，所述流動(dòng)載氣直接與所述W03粉末接觸，其中的 水蒸汽直接與所述W03粉末反應(yīng)，生成氣態(tài)W02(OH)2，所述流動(dòng) 載氣流速為15 100立方厘米/秒，壓力為104 106 Pa,所述水蒸 汽的露點(diǎn)為20 60。C;同時(shí)，向所述反應(yīng)爐中通入與所述流動(dòng)載氣 同方向運(yùn)動(dòng)的還原性氣體，所述還原性氣體與所述氣態(tài)W02(OH)2發(fā)生還原反應(yīng)，即在所述沉積基底上形成w晶須陣列，所述還原性
氣體流速為15 100立方厘米/秒；壓力為104~106 3的；
第三步、達(dá)到設(shè)定的反應(yīng)時(shí)間后，先關(guān)閉載氣，保持反應(yīng)爐內(nèi)還 原性氣氛不變，隨爐降溫至室溫。
本發(fā)明中，所述反應(yīng)爐為水平管式爐。 本發(fā)明中，所述流動(dòng)載氣為惰性氣體或氮?dú)庵械囊环N。 本發(fā)明中，所述還原性氣體為氫氣或一氧化碳?xì)怏w中的一種。 本發(fā)明中，所述沉積基底為硅，石英或氧化鋁中的一種。
本發(fā)明由于采用上述工藝，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1. W晶須的合成溫度低，本發(fā)明在850 1100 °C即可合成W晶須陣 列，遠(yuǎn)低于物理氣相沉積方法要求的1500 160(TC，因此，合成 成本低、能耗低；
2. W晶須的合成過(guò)程中沒(méi)有添加催化劑或模板，因此，所合成的W 晶須具有完好的單晶結(jié)構(gòu)，沒(méi)有表面和內(nèi)部缺陷，純度高，且合 成設(shè)備簡(jiǎn)單，產(chǎn)率高；
3. 可以通過(guò)調(diào)節(jié)合成溫度，控制所合成的鉤晶須的直徑；
4. 可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣相沉積時(shí)間，控制所合成的W晶須的長(zhǎng)度。 綜上所述，本發(fā)明工藝合理、操作方便、設(shè)備簡(jiǎn)單、合成溫度低、
產(chǎn)率高、所合成的鎢晶須直徑和長(zhǎng)度可控，合成成本低、能耗低。


附圖1為本發(fā)明實(shí)施1所獲得的W晶須陣列的掃描電鏡照片。 附圖2為本發(fā)明實(shí)施1所獲得的W晶須的X射線衍射圖譜。附圖3為本發(fā)明實(shí)施1所獲得的W晶須的低倍透射電鏡照片。 附圖4為本發(fā)明實(shí)施1所獲得的W晶須的高分辨透射電鏡照片
和對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖譜。
附圖5為本發(fā)明實(shí)施2所獲得的W晶須陣列的掃描電鏡照片。 附圖6為本發(fā)明實(shí)施3所獲得的W晶須陣列的掃描電鏡照片。 附圖7為本發(fā)明實(shí)施4所獲得的W晶須陣列的掃描電鏡照片。 附圖8為本發(fā)明實(shí)施4所獲得的W晶須的低倍透射電鏡照片和
對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖譜。 其中
附圖2表明形成的W晶須具有體心立方結(jié)構(gòu)，且產(chǎn)物中沒(méi)有氧 化鉤等其它雜質(zhì)，其中的Si衍射峰來(lái)自于Si基底。
附圖3表明形成的W晶須在軸向方向上具有非常均一的直徑， 沒(méi)有出現(xiàn)表面臺(tái)階；因此不會(huì)因?yàn)楸砻媾_(tái)階而引入表面缺陷。
附圖4表明W晶須具有體心立方結(jié)構(gòu)，沿<111>方向生長(zhǎng)，晶
須具有完好的單晶結(jié)構(gòu)，沒(méi)有任何內(nèi)部缺陷。
附圖8表明W晶須具有完好的單晶結(jié)構(gòu)，在軸向方向上具有非 常均一的直徑，沒(méi)有出現(xiàn)表面臺(tái)階。
具體實(shí)施 實(shí)施例l
1、將IO克粒度為100目、純度為98% 99.99%\￥03粉末置于 直徑為20 mm的干凈的石英管的一端，然后，將石英管裝入水平管 式爐的爐膛中；取尺寸為10 mmX5 mmXl mm的單晶Si (111)片，先于氫氟酸中清洗，然后在無(wú)水乙醇中超聲波清洗5分鐘，干燥后， 放置在管式爐中，距石英管放置有W03粉末的端口5 mm處；向水 平管式爐內(nèi)通入氬氣；同時(shí)，將管式爐加熱到900。C。
2、 從管式爐中放置有石英管的一端通入流速為15立方厘米/秒; 壓力為104Pa;攜帶有水蒸汽的Ar氣至石英管中直接與所述W03 粉末接觸，其中的水蒸汽直接與所述W03粉末反應(yīng)，生成氣態(tài) W02(OH)2，所述水蒸汽的露點(diǎn)為20 °C;同時(shí)，向管式爐內(nèi)通入與 所述Ar氣同方向運(yùn)動(dòng)的氫氣，所述氫氣與所述氣態(tài)W02(OH)2發(fā)生 還原反應(yīng)，即在所述單晶Si (111)片基底上形成W晶須陣列；所述 氫氣的流速為15立方厘米/秒；壓力為104Pa;
3、 在此溫度下保溫4小時(shí)，關(guān)閉氬氣，保持氫氣流速不變，將 管式爐溫度降到室溫，所獲得的W晶須的平均直徑180納米，平 均長(zhǎng)度19微米。
實(shí)施例2
1、 將10克粒度為100目、純度為98% 99.99%\￥03粉末置于 直徑為20 mm的干凈的石英管的一端，然后，將石英管裝入水平管 式爐的爐膛中；取尺寸為10mmX5mmXl mm的單晶Si (111)片， 先于氫氟酸中清洗，然后在無(wú)水乙醇中超聲波清洗5分鐘，干燥后， 放置在管式爐中，距石英管放置有W03粉末的端口 5 mm處；向水 平管式爐內(nèi)通入氬氣；同時(shí)，將管式爐加熱到105(TC。
2、 從管式爐中放置有石英管的一端通入流速為60立方厘米/秒； 壓力為104Pa;攜帶有水蒸汽的Ar氣至石英管中直接與所述W03粉末接觸，其中的水蒸汽直接與所述W03粉末反應(yīng)，生成氣態(tài)
W02(OH)2，所述水蒸汽的露點(diǎn)為20 °C;同時(shí)，向管式爐內(nèi)通入與 所述Ar氣同方向運(yùn)動(dòng)的氫氣，所述氫氣與所述氣態(tài)W02(OH)2發(fā)生 還原反應(yīng)，即在所述單晶Si (111)片基底上形成W晶須陣列；所述 氫氣的流速為100立方厘米/秒；壓力為104Pa;
3、在此溫度下保溫4小時(shí)，關(guān)閉氬氣，保持氫氣流速不變，將 管式爐溫度降到室溫，所獲得的W晶須的平均直徑2.25微米，晶 須平均長(zhǎng)度20.5微米。 實(shí)施例3
1、 將10克粒度為100目、純度為98% 99.99%\￥03粉末置于 直徑為20 mm的干凈的石英管的一端，然后，將石英管裝入水平管 式爐的爐膛中；取尺寸為10mmX5mmXl mm的單晶Si (111)片， 先于氫氟酸中清洗，然后在無(wú)水乙醇中超聲波清洗5分鐘，干燥后， 放置在管式爐中，距石英管放置有W03粉末的端口 10mm處；向水 平管式爐內(nèi)通入氬氣；同時(shí)，將管式爐加熱到卯OT;
2、 從管式爐中放置有石英管的一端通入流速為45立方厘米/秒； 壓力為105Pa;攜帶有水蒸汽的Ar氣至石英管中直接與所述W03 粉末接觸，其中的水蒸汽直接與所述W03粉末反應(yīng)，生成氣態(tài) W02(OH)2，所述水蒸汽的露點(diǎn)為40 °C;同時(shí)，向管式爐內(nèi)通入與 所述Ar氣同方向運(yùn)動(dòng)的氫氣，所述氫氣與所述氣態(tài)W02(OH)2發(fā)生 還原反應(yīng)，即在所述單晶Si (111)片基底上形成W晶須陣列；所述 氫氣的流速為45立方厘米/秒；壓力為105Pa;3、在此溫度下保溫18小時(shí)，關(guān)閉氬氣，保持氫氣流速不變，將 管式爐溫度降到室溫，所獲得的W晶須的平均直徑200納米，晶 須平均長(zhǎng)度40微米。 實(shí)施例4
1、 將10克粒度為100目、純度為98% 99.99%\￥03粉末置于 直徑為20 mm的干凈的石英管的一端，然后，將石英管裝入水平管 式爐的爐膛中；取尺寸為10mmX5mmXl mm的氧化鋁片，先于 氫氟酸中清洗，然后在無(wú)水乙醇中超聲波清洗5分鐘，干燥后，放置 在管式爐中，距石英管放置有W03粉末的端口 8 mm處；向水平管 式爐內(nèi)通入氬氣；同時(shí)，將管式爐加熱到850。C;
2、 從管式爐中放置有石英管的一端通入流速為100立方厘米/ 秒；壓力為106 Pa;攜帶有水蒸汽的Ar氣至石英管中直接與所述
W03粉末接觸，其中的水蒸汽直接與所述W03粉末反應(yīng)，生成氣態(tài)
W02(OH)2，所述水蒸汽的露點(diǎn)為60 "C;同時(shí)，向管式爐內(nèi)通入與 所述Ar氣同方向運(yùn)動(dòng)的氫氣，所述氫氣與所述氣態(tài)W02(OH)2發(fā)生 還原反應(yīng)，即在所述氧化鋁片基底上形成W晶須陣列；所述氫氣的 流速為100立方厘米/秒；壓力為106Pa;
3、 在此溫度下保溫4小時(shí)，關(guān)閉氬氣，保持氫氣流速不變，將 管式爐溫度降到室溫，所獲得的W晶須的平均直徑170納米，平 均長(zhǎng)度20微米。
權(quán)利要求
1、一種直徑和長(zhǎng)度可控的鎢晶須陣列的制備方法，包括以下工藝步驟第一步將粒度為100～600目、純度為98％～99.99％的WO3粉末及沉積基底依次放置于爐內(nèi)氣氛為惰性氣體或氮?dú)獾姆磻?yīng)爐中，所述沉積基底距WO3粉末5～10mm，加熱至850～1100℃；第二步、從所述反應(yīng)爐中放置有WO3粉末的一端通入攜帶有水蒸汽的流動(dòng)載氣，所述流動(dòng)載氣直接與所述WO3粉末接觸，其中的水蒸汽直接與所述WO3粉末反應(yīng)，生成氣態(tài)WO2(OH)2，所述流動(dòng)載氣流速為15～100立方厘米/秒，壓力為104～106Pa，所述水蒸汽的露點(diǎn)為20～60℃；同時(shí)，向所述反應(yīng)爐中通入與所述流動(dòng)載氣同方向運(yùn)動(dòng)的還原性氣體，所述還原性氣體與所述氣態(tài)WO2(OH)2發(fā)生還原反應(yīng)，即在所述沉積基底上形成W晶須陣列，所述還原性氣體流速為15～100立方厘米/秒；壓力為104～106Pa的；第三步、達(dá)到設(shè)定的反應(yīng)時(shí)間后，先關(guān)閉載氣，保持反應(yīng)爐內(nèi)還原性氣氛不變，隨爐降溫至室溫。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直徑和長(zhǎng)度可控的鴇晶須陣列的制備方法，其特征在于所述反應(yīng)爐為水平管式爐。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直徑和長(zhǎng)度可控的鎢晶須陣列的制備方法，其特征在于所述流動(dòng)載氣為惰性氣體或氮?dú)庵械囊环N。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直徑和長(zhǎng)度可控的鎢晶須陣列的 制備方法，其特征在于所述還原性氣體為氫氣或一氧化碳?xì)怏w中的 一種。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直徑和長(zhǎng)度可控的鎢晶須陣列的 制備方法，其特征在于所述沉積基底為硅，石英或氧化鋁中的一種。
全文摘要
一種直徑和長(zhǎng)度可控的鎢晶須陣列的制備方法，包括以下工藝步驟1.將WO₃粉末及沉積基底依次放置于爐內(nèi)氣氛為惰性氣體或氮?dú)獾姆磻?yīng)爐中，加熱至850～1100℃；2.從所述反應(yīng)爐中放置有WO₃粉末的一端通入攜帶有水蒸汽的流動(dòng)載氣，其中的水蒸汽直接與所述WO₃粉末反應(yīng)，生成氣態(tài)WO₂(OH)₂；同時(shí)，向所述反應(yīng)爐中通入還原性氣體，所述還原性氣體與所述氣態(tài)WO₂(OH)₂發(fā)生還原反應(yīng)，即在所述沉積基底上形成W晶須陣列；3.達(dá)到設(shè)定的反應(yīng)時(shí)間后，先關(guān)閉載氣，保持反應(yīng)爐內(nèi)還原性氣氛不變，隨爐降溫至室溫。本發(fā)明工藝合理、操作方便、設(shè)備簡(jiǎn)單、合成溫度低、產(chǎn)率高、所合成的鎢晶須直徑和長(zhǎng)度可控，合成成本低、能耗低。
文檔編號(hào)C30B29/02GK101603200SQ20091004388
公開(kāi)日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者劉新利, 泉 張, 王世良, 賀躍輝 申請(qǐng)人:中南大學(xué)