专利名称：一种ZnO塔状的周期性单晶纳米结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种ZnO塔状的周期性单晶纳米结构及其制备方法，具体说，涉及一种由纳米单元构造而成的ZnO塔状的周期性单晶纳米结构以及用热蒸发的方法，在大气压强和550～700℃的条件下，在硅片衬底上制备大面积的这种结构的方法，属于光电子和半导体材料及其制备方法的技术领域。
背景技术：
ZnO是一种宽禁带半导体，并且具有较大的激子束缚能，在光电子器件中有很大的应用前景，又由于其热稳定性，高机械强度和化学稳定性等特殊性质，引起了人们对其纳米结构的场发射特性研究的兴趣。近来，人们利用各种方法(溶液法，分子束外延，脉冲激光沉积，金属有机物化学气相沉积等)制备出了各种不同的一维ZnO纳米结构，例如纳米线，纳米带，纳米针，纳米铅笔，纳米棒等，并对这些纳米结构的场发射特性进行了研究，结果表明，具有尖端的那些纳米结构更容易发射电子，然而到目前为止，所有的一维纳米结构由于其光滑的表面往往都只能从顶端发射电子，限制了场发射性能的进一步提高，所以有必要制作一种不但具有尖端，而且在表面上也有很多发射点的结构来作为新一代的场发射阴极材料。另一方面，要想把纳米材料应用到纳米功能器件之中，把一维的纳米构造单元自组装成二维或三维的分层次纳米结构是当今纳米技术所面临的一个迫切需要解决的问题，也是当前许多研究者的研究目标。
发明内容
本发明的目的是提出一种ZnO塔状的周期性单晶纳米结构，其特征在于，该纳米结构是由生长在硅片上的六方纳米单元自下而上组装而成的具有层次和周期性的ZnO塔状单晶纳米结构，所述的塔状单晶纳米结构的长度、底端直径和尖端直径分别为20～30μm、3～10μm和5～15nm。
本发明的另一个目的是提供一种制备ZnO塔状的周期性单晶纳米结构的方法。为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。以硅片作为衬底，以Zn粉作为蒸发源，以Ar为载气，用热蒸发方法在大气压强和550～700℃的条件下，在衬底上生长ZnO纳米单晶，得到产品，ZnO塔状的周期性单晶纳米结构。
现详细说明本发明的技术方案。
一种制备ZnO塔状的周期性单晶纳米结构的方法，其特征在于，具体工艺步骤如下第一步清洗硅片用传统的方法清洗硅片；第二步加热管式生长炉将水平放置的管式生长炉加热到550～700℃；第三步放置蒸发源和硅片将蒸发源，Zn粉末放入石英舟，把经第一步处理的硅片盖在石英舟的上面，收集反应生成物，蒸发源与硅片的距离为3～8mm；第四步放置石英舟把石英舟放到经第二步加热的管式生长炉的中部；第五步通入载气将载气，惰性气体Ar通入管式生长炉，载气的流量为0.5L/min～2L/min，在大气压强和550～700℃的条件下进行热蒸发反应30～90min；第六步制得产品取出石英舟和硅片，生长在硅片上的白色半透明膜状物就是产品，ZnO塔状的周期性单晶纳米结构。
产品具有与上述的ZnO塔状的周期性单晶纳米结构完全相同的结构。
本发明的技术方案的进一步特征在于，第二步中，管式生长炉由两根不同直径的石英管组成，大石英管的长度和直径分别为110cm和8cm，小石英管的长度和直径分别为140cm和4cm，小石英管插在大石英管内；第四步中，石英舟放在小石英管的中部；第五步中，载气通入小石英管。
与已有的合成技术及其产品ZnO纳米结构相比，本发明具有以下突出优点(1)生长温度低，压强只需为常压最高生长温度只需要700℃，压强只需为常压，降低了对设备的要求。
(2)硅片放置不同已有的合成方法一般把硅衬底放在气流的下流，与蒸发源在同一水平位置，本发明的合成方法把硅片直接放在与蒸发源的上方。
(3)对载气的要求不高，只需要Ar就可以，不需要通人O2或其他气体。
(4)方法简单，成本低，重复性好，而且能在硅片上大面积生长ZnO塔状的周期性单晶纳米结构。
图1是ZnO塔状的周期性单晶纳米结构的X射线衍射图。
图2a是大量ZnO塔状的周期性单晶纳米结构的SEM照片。
图2b是ZnO塔状的周期性单晶纳米结构的高放大倍数的SEM照片，其中的插图是塔尖的高放大倍数SEM照片。
图3是单个的ZnO塔状的周期性单晶纳米结构的TEM照片。
具体实施例方式
所有实施例均按上述的超长ZnO梳状结构的制备方法的具体工艺步骤进行操作，每个实施例仅罗列关键的技术数据。
实施例1第二步中，将水平放置的管式生长炉加热到550℃。第三步中，将蒸发源，Zn粉末放入石英舟，蒸发源与硅片的距离为3mm。第五步中，将载气，惰性气体Ar通入管式生长炉，载气的流量为0.5L/min，在大气压强和550℃的条件下进行热蒸发反应30min。
实施例2第二步中，将水平放置的管式生长炉加热到600℃。第三步中，将蒸发源，Zn粉末放入石英舟，蒸发源与硅片的距离为5mm。第五步中，将载气，惰性气体Ar通入管式生长炉，载气的流量为1L/min，在大气压强和600℃的条件下进行热蒸发反应60min。
实施例3第二步中，将水平放置的管式生长炉加热到700。第三步中，将蒸发源，Zn粉末放入石英舟，蒸发源与硅片的距离为8mm。第五步中，将载气，惰性气体Ar通入管式生长炉，载气的流量为2L/min，在大气压强和700℃的条件下进行热蒸发反应90min。
实施例4除以下不同外，其余的工艺步骤与实施例1完全相同。
第二步中，管式生长炉由两根不同直径的石英管组成，大石英管的长度和直径分别为110cm和8cm，小石英管的长度和直径分别为140cm和4cm，小石英管插在大石英管内；第四步中，石英舟放在小石英管的中部；第五步中，载气通入小石英管。
实施例5除以下不同外，其余的工艺步骤与实施例2完全相同。
第二步中，管式生长炉由两根不同直径的石英管组成，大石英管的长度和直径分别为110cm和8cm，小石英管的长度和直径分别为140cm和4cm，小石英管插在大石英管内；第四步中，石英舟放在小石英管的中部；第五步中，载气通入小石英管。
实施例6除以下不同外，其余的工艺步骤与实施例3完全相同。
第二步中，管式生长炉由两根不同直径的石英管组成，大石英管的长度和直径分别为110cm和8cm，小石英管的长度和直径分别为140cm和4cm，小石英管插在大石英管内；第四步中，石英舟放在小石英管的中部；第五步中，载气通入小石英管。
用本发明的制备方法制备的ZnO塔状的周期性单晶纳米结构特别适用于作为场发射微电子器件中的阴极材料和STM、AFM等显微镜的探针。
权利要求
1.一种ZnO塔状的周期性单晶纳米结构，其特征在于，该纳米结构是由生长在硅片上的六方纳米单元自下而上组装而成的具有层次和周期性的ZnO塔状单晶纳米结构，所述的塔状单晶纳米结构的长度、底端直径和尖端直径分别为20～30μm、3～10μm和5～15nm。
2.一种制备ZnO塔状的周期性单晶纳米结构的方法，其特征在于，具体工艺步骤如下第一步 清洗硅片用传统的方法清洗硅片；第二步 加热管式生长炉将水平放置的管式生长炉加热到550～700℃；第三步 放置蒸发源和硅片将蒸发源，Zn粉末放入石英舟，把经第一步处理的硅片盖在石英舟的上面，收集反应生成物，蒸发源与硅片的距离为3～8mm；第四步 放置石英舟把石英舟放到经第二步加热的管式生长炉的中部；第五步 通入载气将载气，惰性气体Ar通入管式生长炉，载气的流量为0.5L/min～2L/min，在大气压强和550～700℃的条件下进行热蒸发反应30～90min；第六步 制得产品取出石英舟和硅片，生长在硅片上的白色半透明膜状物就是产品，ZnO塔状的周期性单晶纳米结构。
3.根据权利要求2所述的制备ZnO塔状的周期性单晶纳米结构的方法，其特征在于，第二步中，管式生长炉由两根不同直径的石英管组成，大石英管的长度和直径分别为110cm和8cm，小石英管的长度和直径分别为140cm和4cm，小石英管插在大石英管内；第四步中，石英舟放在小石英管的中部；第五步中，载气通入小石英管。
全文摘要
一种ZnO塔状的周期性单晶纳米结构及其制备方法，属于光电子和半导体材料及其制备方法的技术领域。该纳米结构是由生长在硅片上的六方纳米单元自下而上组装而成的具有层次和周期性的ZnO塔状单晶纳米结构，所述的塔状单晶纳米结构的长度、底端直径和尖端直径分别为20～30μm、3～10μm和5～15nm。以硅片作为衬底，以Zn粉作为蒸发源，以Ar为载气，用热蒸发方法在大气压强和550～700℃的条件下，在衬底上生长ZnO纳米单晶，得到产品，ZnO塔状的周期性单晶纳米结构。有方法简单，成本低，重复性好，在硅片上大面积生长ZnO塔状的周期性单晶纳米结构等优点。产品特别适用于作为场发射微电子器件中的阴极材料和STM、AFM等显微镜的探针。
文档编号C30B29/10GK1958877SQ200610117268
公开日2007年5月9日 申请日期2006年10月19日 优先权日2006年10月19日
发明者朱自强, 徐丰, 郁可 申请人:华东师范大学