基于CVD法制备长矛状ZNO纳米/微米结构的方法.pdf

本发明公开了一种基于CVD法制备长矛状ZnO纳米/微米结构的方法，(1)设置程控扩散炉工作参数；(2)制备蒸发源：将高纯ZnO粉末和高纯C粉按摩尔比1∶2混合均匀得到混合物，以此混合物作为程控扩散炉的蒸发源；(3)制备ZnO纳米/微米结构：将步骤(2)所述蒸发源置于程控扩散炉中，启动程控扩散炉加热蒸发源获得ZnO纳米/微米结构。采用本发明的方法，能制备纯度＞99.999％具有长矛状形貌的ZnO纳米/微米结构；同时，此结构与其它ZnO纳米结构相比，具有优良的光学性能，该方法具有工艺简单，可控性和可

1、  基于CVD法制备长矛状ZnO纳米/微米结构的方法，其特征在于：
(1)设置程控扩散炉工作参数：设置本底真空度为1.2Pa、最高加热温度为1100℃；程控扩散炉使用石英反应炉管；调节载气为Ar气，调节阀门控制流量为10-40sccm，Ar气压保持在1-3×10³Pa；Ar气纯度＞99.999％；基底材料为100面的p型Si，基底温度设定为400-700℃；蒸发源的加热温度为800-1000℃，蒸发源质量为5-20克；
(2)制备蒸发源：将高纯ZnO粉末和高纯C粉按摩尔比1∶2混合均匀得到混合物，以此混合物作为程控扩散炉的蒸发源；
(3)制备ZnO纳米/微米结构：将步骤(2)所述蒸发源置于程控扩散炉中，启动程控扩散炉加热蒸发源获得ZnO纳米/微米结构；所述ZnO纳米/微米结构的生长时间为1-3小时。

2、  如权利要求1所述基于CVD法制备长矛状ZnO纳米/微米结构的方法，其特征在于：所述步骤(2)中：高纯ZnO粉末是指纯度＞99.999％的ZnO粉末，高纯C粉是指纯度＞99.999％的C粉，将蒸发源温度加热到800℃、900℃或1000℃。

3、  如权利要求1所述基于CVD法制备长矛状ZnO纳米/微米结构的方法，其特征在于：所述步骤(4)中：基底温度400℃、500℃、600℃或700℃。

4、  如权利要求1所述基于CVD法制备长矛状ZnO纳米/微米结构的方法，其特征在于：所述步骤(5)中：ZnO纳米结构的生长时间为1-1.5小时；ZnO微米结构的生长时间为1.5-3小时。

基于CVD法制备长矛状ZnO纳米/微米结构的方法
技术领域：
本发明属于半导体纳米结构生长领域，涉及一种利用程控扩散炉CVD法制备特殊长矛状ZnO纳米/微米结构的方法。
背景技术：
纳米材料是上世纪末发展起来的材料领域内的新兴研究方向，纳米科学和技术主要是在纳米尺度上(0.1-100nm之间)研究物质的特性和相互作用。由于纳米材料具有许多优良的物理化学性质：比如高比表面积、高电导、高硬度、高磁化率、高催化活性和化学活性等，越来越受到科研工作者和产业界的关注。
ZnO材料作为一种新型的宽带隙半导体材料，其纳米结构的研究也是非常重要的研究方向。制备ZnO纳米结构的方法有很多种，比较常用的有化学自组装法、溶胶-凝胶法、固-液-气相沉积、CVD法、PLD法等等，而且采用不同的生长条件和生长方法，得到的ZnO纳米结构也是多种多样，比如纳米线、纳米球、纳米带、纳米花，甚至还有类似DNA分子结构的双螺旋结构。这些ZnO纳米结构在催化剂、半导体显示器件、半导体发光器件等方面都具有巨大的应用前景。
常见的制备方法也各有优缺点，比如化学自组装法和溶胶凝胶法制备工艺简单，成本低廉，但是由于反应物纯度低，所制备的ZnO纳米结构纯度难以保证；PLD等方法则由于设备真空度高，因而可以获得纯度＞99.999％度ZnO纳米结构，但是设备比较复杂，成本较高，且不易于大规模制备；而固-液-气相沉积和CVD法相对于以上几种方法而言，具有设备成本较低，可重复性高，且易于制备大面积ZnO纳米结构等优点。
发明内容：
本发明的目的在于，提供一种利用程控扩散炉CVD法制备特殊长矛状ZnO纳米/微米结构的工艺和方法。
本发明的目的技术方案如下：基于CVD法制备长矛状ZnO纳米/微米结构的方法，其特征在于：
(1)设置程控扩散炉工作参数：设置本底真空度为1.2Pa、最高加热温度为1100℃；程控扩散炉使用石英反应炉管；调节载气为Ar气，调节阀门控制流量为10-40sccm，Ar气压保持在1-3×10³Pa；Ar气纯度＞99.999％；基底材料为100面的p型Si，基底温度设定为400-700℃；蒸发源的加热温度为800-1000℃，蒸发源质量为5-20克；
(2)制备蒸发源：将高纯ZnO粉末和高纯C粉按摩尔比1∶2混合均匀得到混合物，以此混合物作为程控扩散炉的蒸发源；
(3)制备ZnO纳米/微米结构：将步骤(2)所述蒸发源置于程控扩散炉中，启动程控扩散炉加热蒸发源获得ZnO纳米/微米结构；所述ZnO纳米/微米结构的生长时间为1-3小时。
所述步骤(2)中：高纯ZnO粉末是指纯度＞99.999％的ZnO粉末，高纯C粉是指纯度＞99.999％的C粉，将蒸发源温度加热到800℃、900℃或1000℃。
所述步骤(4)中：基底温度400℃、500℃、600℃或700℃。
所述步骤(5)中：ZnO纳米结构的生长时间为1-1.5小时；ZnO微米结构的生长时间为1.5-3小时。
本发明的方法制备的ZnO纳米/微米结构外形是特殊长矛状，纯度＞99.999％。
特殊长矛状ZnO纳米/微米结构的生长：程控扩散炉系统本底真空1.2Pa，蒸发源采用高纯(纯度＞99.999％)ZnO粉末和高纯(纯度＞99.999％)C粉末按摩尔比1∶2混合，蒸发源温度920℃；载气为高纯Ar气，流量25sccm，生长时气压保持在1.6×10³Pa，生长时间为1-1.5小时，衬底采用p-Si(100)，衬底温度600℃。
该工艺的特点是：(1)制备ZnO纳米结构的设备为程控扩散炉，系统真空度1.2Pa；(2)生长方法采用化学气相沉积(CVD)法；(3)蒸发源采用高纯(纯度＞99.999％)ZnO粉末和高纯(纯度＞99.999％)C粉末按摩尔比1∶2混合，蒸发源区温度920℃；(4)载气为高纯Ar气，流量25sccm，生长时气压保持在1.6×10³Pa，生长时间为1-1.5小时，衬底采用p-Si(100)，衬底温度600℃。
本发明的ZnO纳米或者微米结构的制备方法，制备的特殊形貌的ZnO纳米结构在场发射显示领域具有较高的应用价值。该方法具有工艺简单，可控性和可重复性高，适用于大面积ZnO纳米结构制备等优点。
附图说明：
图1是本发明制备ZnO纳米结构的CVD装置示意图。
图2是本发明的特殊长矛状ZnO纳米/微米结构X射线衍射2θ扫描图样。
图3是本发明的特殊长矛状ZnO纳米结构扫描电镜图样。
图4为本发明的特殊长矛状ZnO微米结构扫描电镜图样。
图5为本发明的特殊长矛状ZnO纳米/微米结构的低温光致发光光谱。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供一种利用程控扩散炉CVD法制备特殊长矛状ZnO纳米/微米结构的工艺和方法。为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
实施例1：
特殊长矛状ZnO纳米结构的制备：
(1)程控扩散炉，如图1所示，采用石英反应炉管，最高加热温度1100℃，系统本底真空度为1.2Pa，制备方法为CVD法；
(2)蒸发源采用高纯(纯度＞99.999％)ZnO粉末和高纯(纯度＞99.999％)C粉末按摩尔比1∶2混合，蒸发源温度920℃；
(3)载气为高纯Ar气，流量25sccm，生长时气压保持在1.6×10³Pa；
(4)衬底材料选用p-Si(100)或其它，衬底温度600℃；
(5)生长ZnO纳米结构的时间为1小时；获得ZnO纳米结构。
实施例2：
特殊长矛状ZnO微米结构的制备：
(1)程控扩散炉，如图1所示，采用石英反应炉管，最高加热温度1100℃，系统本底真空度为1.2Pa，制备方法为CVD法；
(2)蒸发源采用高纯(纯度＞99.999％)ZnO粉末和高纯(纯度＞99.999％)C粉末按摩尔比1∶2混合，蒸发源温度920℃；
(3)载气为高纯Ar气，流量25sccm，生长时气压保持在1.6×10³Pa；
(4)衬底材料选用p-Si(100)或其它，衬底温度600℃；
(5)生长ZnO微米结构的时间为1.5小时；获得ZnO微米结构。
本发明公开了一种利用程控扩散炉CVD法制备长矛状ZnO纳米或者微米结构的方法。此形貌的ZnO纳米结构在场发射显示领域具有较高的应用价值。
长矛状ZnO纳米或者微米结构的结晶性能采用粉末或者多晶衍射仪进行测试，其结果如图2所示。从图中可以看出，当2θ角从20°扫描到70°范围内，通过比对标准粉末衍射卡片(JCPDS36-1451)，可以知道样品的XRD图样上只有六方纤锌矿结构的ZnO衍射峰，其中Si(200)衍射峰来自基底，这表明制备的纳米或者微米粉末是具有极纯度＞99.999％度的ZnO。
长矛状ZnO纳米或者微米结构的形貌特征采用JEOL JSF7000场发射扫描电子显微镜进行表征，其如图2和图3所示。图2所示为长矛状ZnO纳米结构的高分辨SEM图样，可以看出，ZnO纳米结构的尺度约为200-300nm；图3所示为长矛状ZnO微米结构的高分辨SEM图样，可以看出ZnO微米结构的尺度约为1-2um。
长矛状ZnO纳米/微米结构的低温光致发光光谱如图4所示。从图中可以看出，10K低温时，样品PL谱中可以观察到3个很强的发光峰，其中3.360eV处为施主束缚激子D⁰X发光峰，其半高宽仅为10meV，说明ZnO纳米结构具有很高的纯度和较高的结晶质量；随着温度升高，其发光强度明显减弱，且向低能方向移动；当温度上升到150K左右，束缚激子发光猝灭，而此时自由激子发光FE逐渐占据优势。在D⁰X发光峰低能侧还可以观察到一个较强的发光峰S，位于3.305eV处，其半高宽为20meV，参照有关ZnO纳米线低温发光的文献，在S峰低能侧，依次为D⁰X的一级声子伴线D⁰X-LO、施主受主对(DAP)发光及其一级声子伴线DAP-LO等。
通过以上结果，可以证明，采用本发明的工艺，能制备纯度＞99.999％度具有长矛状形貌的ZnO纳米/微米结构；同时，此结构与其它ZnO纳米结构相比，具有优良的光学性能，可在场发射显示等方面发挥重要作用，具有很好的应用前景，该方法具有工艺简单，可控性和可重复性高，适用于大面积ZnO纳米结构制备等优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。