专利名称：一种制备氧化锌晶须阵列材料的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种在大气开放式条件下采用金属有机物化学气相沉积法制备氧化锌晶须阵列材料的装置。
背景技术：
ZnO是II-VI族化合物半导体，属于纤锌矿结构，由于它具有多种优异的物理性质和化学性质，因此无论作为结构材料还是功能材料，目前已经在相当大的范围内得到了应用。ZnO材料本身具有优良的光电、透明导电、压电、气敏、压敏等特性。宽禁带ZnO半导体为直接跃迁，室温带隙为3.37eV，且束缚激子能高达60meV，是一种具有很大潜在应用价值的紫外半导体光电器件材料。它除了对可见光范围透明，对红外光有较强的反射以及有较低的电阻率外，还对玻璃有较强的附着力并且有良好的耐磨性和化学稳定性，在透明导体、发光元件、电极材料等方面有广泛的应用。
传统晶须由于优异的机械性能和一维方向上延长的几何形状，在结构复合材料中作为增强体已经被广泛地应用。然而作为低维材料中的一种，其本身的光、电、声等功能特性的研究尚未引起人们的足够重视。晶须具有无晶界、晶体缺陷少和具有特殊的尖端等特点，无论是单独地作为低维材料，还是作为微型器件、低维复合材料的构成体，在功能材料领域都将展现出其广泛的应用前景。影响晶须作为功能材料的一个关键问题是如何使得晶须定向生长和规则排列。只有解决传统晶须杂乱分布的问题，才能利用晶须材料本身所具有的功能方面的特性。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种制备高度定向规整排列ZnO晶须的装置。该装置在沉积过程中通过改变气化温度、基片温度和载气N2流速来作为晶须生长的控制因素，从而得到不同形貌特征(直径、长度、分布密度、规则度)的ZnO阵列材料。该装置独特的喷嘴设计，大容积小口径，能够使得在基片表面形成一个具有较大过饱和度的浓度场，促进ZnO的结晶和定向生长。
本实用新型的一种制备ZnO一维材料的装置，该装置顺着气路通道依次安装有氮气瓶、以及计量氮气流速的流量计、液氮冷阱、气化室、喷嘴装置，以及提供基片加热的基片台；所述的氮气瓶至流量计之间设有对流量计进行保护的截止气阀；所述的液氮冷阱至气化室之间的气路通道上安装有热电偶、其外壁上缠绕有加热带，其加热带连接有调压器，其热电偶的测温端紧贴气路通道外壁，其接线端接入温度显示仪表；所述的气化室外壁缠绕有加热带，其加热带连接有调压器，在气化室内安装有热电偶，热电偶接线端伸出气化室并连接在温度显示仪表上；所述的气化室至喷嘴装置的气路通道上设有封闭气路的截止气阀、热电偶，气路通道的外壁上缠绕有加热带，其加热带连接有调压器，其热电偶的测温端紧贴气路通道外壁，其接线端接入温度显示仪表；所述的基片台与基片设有紧贴两者的热电偶，其接线端接入温度显示仪表；所述的基片表面与喷嘴装置中的喷嘴底面相平行，与其法向方向相垂直。
本实用新型的制备装置也可以由三路气路通道以及各个气路通道上的流量计、液氮冷阱、气化室，同一喷嘴装置、基片台组成，此种制备装置即可以同时进行三种不同金属有机物的沉积，也可单独使用其中一路气路通道进行气相沉积，还可以采用两路气路通道进行沉积。此制备装置中多气路的的配合使用可以用来精确的进行掺杂或多组分体系氧化物晶须的生长。
所述装置制备得到的ZnO一维材料晶须阵列为定向生长、规整排列的形貌特征，其可以是圆柱状晶须阵列、长锥状晶须阵列、板条状晶须阵列。
本实用新型装置的优点是独特的喷嘴设计，大容积小口径，能够使得在基片表面形成一个具有较大过饱和度的浓度场，促进ZnO的结晶。该装置包括有三路独立的封闭气路，可以进行含有三种不同成分材料的沉积，可单独使用也可共同沉积。两路或是三路气的配合使用可以用来精确的进行掺杂或多组分体系化合物晶须的生长。
图1是本实用新型设备原理框图。
图2是本实用新型气路通道上设备安装的结构示意图。
图3是本实用新型喷嘴装置剖视图。
图中1.氮气瓶2.气路通道3.流量计4.液氮冷阱5.气化室6.加热带7.喷嘴装置8.基片9.基片台10.进气口11.喷口具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
首先对气路通道上的设备安装进行说明请参见附图1～3所示，气路通道2的一端连接在氮气瓶1上，气路通道2的末端连接在喷嘴装置7上。当设计为三路气路通道时，气路通道并行排列且安装的设备相同。下面用一路通道上安装的设备进行说明设备的相对位置关系，在气路通道2上按氮气输入方向依次安装有截止气阀、流量计3、液氮冷阱4、气化室5、喷嘴装置7，在液氮冷阱4至气化室5的气路通道2的外壁上缠绕有加热带，加热带连接有调压器，此段的气路通道2在缠绕加热带时安装有用于测定温度的一个热电偶，热电偶的测温端紧贴在气路通道2外壁上，其接线端连接在温度显示仪表上，通过仪表键盘进行设定温度操作(仪表为单输入通道数字式智能仪表，型号XST/D-F、北京天辰自动化仪表厂)；在气化室5的外壁上缠绕有加热带，加热带连接有调压器，在气化室5内安装有热电偶，热电偶接线端伸出气化室5并连接在温度显示仪表上(仪表为单输入通道数字式智能仪表，型号XST/D-F、北京天辰自动化仪表厂)；在气化室5至喷嘴装置7的气路通道2上设有封闭气路的截止气阀，在此段气路通道2的外壁上缠绕有加热带，加热带连接有调压器，此段的气路通道2在缠绕加热带时安装有用于提供设定温度、控制温度的一个热电偶，热电偶的测温端紧贴在气路通道2的外壁，其接线端连接在温度显示仪表上(仪表为单输入通道数字式智能仪表，型号XST/D-F、北京天辰自动化仪表厂)；基片8放置在基片台9上，且基片台9上安装有紧贴基片8与基片台9两者的一个热电偶，其接线端连接在温度显示仪表上(仪表为智能数字显示仪表，型号CH402/IMCH01-E2，日本RKC自动化仪表设备公司)；基片8的位置应当与喷嘴装置7中的喷口11底面的法向方向相垂直，并处于狭缝正下方。所述喷嘴装置7为一个立方体形式的容积，可容纳约0.6升含有金属有机物的气体。喷嘴装置7下端设有一个50mm×0.5mm狭长喷口11，使其内部的气体集中由此喷口11喷出，得到较大的金属有机物浓度，形成大的过饱和度，促进材料生长。
在本实用新型的制备装置，如图1所示的结构中，可以通过转接件将从氮气瓶1中输出的氮气转接成三路气路通道形式，而到喷嘴装置7时同样通过转接件将其组合为一个气路通道，各气路通道通过各自的阀门进行控制氮气的输入或输出。在气化室5至喷嘴装置7的气路通道上，通过控制各个气化室5的截止气阀来控制气路的通/断，将不同金属有机物混合并发生分解反应以得到不同配比的多组分化合物一维材料。
本实用新型中提及的大气开放，是指在基片上沉积ZnO材料时，不是在真空氛围中进行，而是在常压大气环境下进行的化学气相沉积。
沉积ZnO材料时，首先将纯度99％的乙酰丙酮化锌Zn(C5H7O2)2·H2O(美国Alpha公司)置于气化室中，由于乙酰丙酮化锌被加热到一定的温度(105℃～120℃)时，产生一定Zn金属有机源的饱和蒸气压，再在N2(纯度为99.5％)用作载气条件下，将气化室里的Zn(C5H7O2)2蒸气送到喷嘴装置，在喷嘴装置7内的温度下(约为200～280℃)，少量的Zn(C5H7O2)2会发生以下一系列的水解反应(1)(2)已经部分分解的Zn(C5H7O2)2由喷口11喷出，与空气中的水继续发生上述反应，生成Zn(OH)2，在喷口11到基片台9的过程中，由于温度升高的原因，Zn(C5H7O2)2的乙酰丙酮基受热直接分解。当Zn(OH)2向温度为500℃～600℃的基片8上沉积时，会进一步受热分解得到ZnO小团簇，从而在基片8上发生沉积。
在本实用新型装置中的预热带的加热及气化室的升温由相应的调压器进行，测温由热电偶及与其连接的仪表实现；基片台9的升温由电阻丝提供，对温度的设定、控制由同热电偶连接的仪表实现；喷口11到基片台9的距离由升降台调节，并用钢尺量度(由于整个制备过程中高度是保持不变的)；沉积过程是通过控制载气N2来进行控制的，正式通入N2时沉积过程开始，停止N2的通入则结束整个沉积过程，时间为100min。
根据本实用新型装置制备得到的ZnO晶须具有亚微米级的柱状结晶特点，使其能够形成单独的Fabry-perot谐振腔并具有了合适增益的横向限制，这样ZnO晶须在结构上尤其适合于受激辐射光频放大器的激光发射和直接跃迁，可作为激光器材料。ZnO的发光性质及电子辐射稳定性使其成为一种很好的单色场发射低压平面显示器材料。利用ZnO晶须阵列形式规则定向排布的特性，可以在冷阴极发射显示元件中得到应用。在室温下，便可利用其纳米级的尖端(曲率半径约几十纳米)在电场作用下发射出电子。ZnO具有机电耦合系数大、介电常数低等良好的压电特性。在传统1-3型压电陶瓷聚合物复合材料中，压电材料普遍采用对体材料进行微加工，得到规则排列的压电陶瓷柱。这样造成了压电材料的宏观损伤，对于复合材料的耦合性能产生不良的影响。如果利用定向生长的ZnO晶须来代替压电陶瓷柱，再与聚合物进行复合，将会得到性能优良的1-3型压电复合材料。ZnO材料光电导随表面吸附的气体种类和浓度不同会发生很大变化，并且晶须的比表面积很大，据此特点，规则排列的ZnO晶须可用来制作表面型气敏器件，其经某些元素掺杂之后对有害性气体、可燃气体、有机蒸汽等具有很好的敏感性，可制成各种气敏传感器。
权利要求1.一种制备氧化锌晶须阵列材料的装置，包括氮气瓶、基片、基片台，其特征在于还包括流量计、液氮冷阱(4)、气化室(5)、喷嘴装置(7)；所述的装置顺着气路通道(2)依次安装有氮气瓶(1)、控制氮气流量的流量计(3)、去除氮气中水分的液氮冷阱(4)、将金属有机物气化的气化室(5)、容纳金属有机物气体的喷嘴装置(7)，以及位于喷嘴装置(7)下方对基片(8)加热的基片台(9)；所述的氮气瓶(1)至流量计(3)之间安装有对流量计进行保护的截止气阀；所述的液氮冷阱(4)至气化室(5)之间的气路通道(2)的外壁上缠绕有加热带，其加热带上连接有调压器，其在气路通道外壁间还设有热电偶，其热电偶的测温端紧贴气路通道外壁，其接线端接入温度显示仪表；所述的气化室(5)外壁缠绕有加热带，其加热带上连接有调压器，其在气化室(5)内设有热电偶，其接线端伸出气化室接入温度显示仪表；所述的气化室(5)至喷嘴装置(7)的气路通道(2)上设有封闭气路的截止气阀，所述此段气路通道(2)上缠绕有加热带，其加热带上连接有调压器，其在气路通道外壁间还设有热电偶，其热电偶的测温端紧贴气路通道外壁，其接线端接入温度显示仪表；所述的基片台(9)上与基片(8)相接触设有紧贴两者的热电偶，其接线端接入温度显示仪表，其基片(8)表面与喷嘴装置(7)中的喷口(11)底面的法向方向相垂直。
2.根据权利要求1所述的制备氧化锌晶须阵列材料装置，其特征在于所述的喷嘴装置(7)底部设有一个狭长喷口(11)，其尺寸为50mm×0.5mm。
3.根据权利要求1所述的制备氧化锌晶须阵列材料装置，其特征在于在基片(8)上沉积ZnO材料处于大气环境中。
4.根据权利要求1所述的制备氧化锌晶须阵列材料装置，其特征在于所述的喷嘴装置(7)中的进气口(10)可设有3个，其进气口(10)的轴线方向在同一平面内相互夹角为60°。
专利摘要本实用新型公开了一种制备氧化锌晶须阵列材料的装置，所述的装置顺着气路通道依次安装有控制氮气流量的流量计、去除氮气中水分的液氮冷阱、将金属有机物气化的气化室、容纳金属有机物气体的喷嘴装置，以及位于喷嘴装置下方对基片加热的基片台，该装置制备得到的ZnO晶须阵列为圆柱状晶须阵列、长锥状晶须阵列、板条状晶须阵列；该装置中的喷嘴可以同时进行三种不同金属有机物渗混沉积，用来进行精确的组分掺杂或多组分体系化合物晶须的生长。
文档编号C23C16/40GK2695450SQ20032012764
公开日2005年4月27日 申请日期2003年12月15日 优先权日2003年12月15日
发明者张跃, 袁洪涛, 谷景华 申请人:北京航空航天大学