专利名称：低升华温度高沉积温度金属氧化物准一维纳米结构及其薄膜制备方法
技术领域：
本发明涉及一种低升华温度高沉积温度金属氧化物准一维纳米结构及其薄膜的制备方法。该方法适用于在真空条件下制备氧化镁、氧化锌、氧化铬等某类金属氧化物的准一维纳米材料，这类金属的特征是在一定真空度下金属的升华温度小于其氧化物准一维纳米结构的形成温度。
背景技术：
金属氧化物材料在电子器件中有重要应用，例如氧化镁具有优越的二次电子发射特性，在电子器件中尤其是等离子体平板显示器件中有着广泛的应用。纳米材料由于尺度效应会使材料在电子性能、机械性能和化学性能上具有独特的表现，例如准一维纳米材料由于它大的长径比所带来强的电场增强效应，可能会使材料表现出良好的场致电子发射性能。下面以氧化镁为对象，说明准一维纳米材料的制备技术背景。
氧化镁准一维纳米材料的制备方法有化学气相沉积(CVD)法、分子束外延(MBE)法、溶液法等。在CVD方法和MBE方法中，通常需要通入大量的氩气作为保护气体，并形成一定的气压，然后在800～950℃加热蒸发源金属镁，之后氧化并在位于低温区的衬底上沉积形成氧化镁准一维纳米材料。但是目前尚未有人报道在真空中采用衬底温度高于蒸发源温度的方法来制备氧化镁准一维纳米结构及其薄膜。
技术发明本发明所述的低升华温度高沉积温度金属氧化物准一维纳米结构及其薄膜的制备方法，包括以下步骤(1)清洗基板，除去基板上的杂质；(2)将基板置于高温区，并将低升华温度的金属蒸发源放置于低温区，然后将基板和蒸发源一起放置在真空装置中，将真空装置抽真空至一定真空度；(3)将基板升温至一定温度T1，将蒸发源金属升温至一定温度T2，保温一段时间t1。其中T1和T2需满足如下条件T2大于等于蒸发源的升华温度T0，T1大于T2，即T0≤T2＜T1；(4)然后通入一定量的氧气，并保温一段时间t2；最后停止通氧气，降温并冷却至室温。
本发明对发展真空条件下制备准一维纳米材料的方法和技术有重要的意义，同时本发明制备纳米结构所需的设备简单，成本低，并且易于实现纳米结构的可控制备。
图1为利用上述方法制备的氧化镁纳米棒薄膜的SEM照片。
图2为利用上述方法制备的氧化镁纳米棒薄膜的XRD分析结果。
图3为利用上述方法制备的氧化镁纳米棒的TEM照片和电子衍射照片。
图4为利用上述方法制备的氧化镁纳米棒薄膜的场发射特性曲线(I-V曲线和FN曲线)。
图5为利用上述方法制备的氧化镁纳米锥薄膜的SEM照片。
图6为利用上述方法制备的结型氧化镁纳米棒薄膜的SEM照片。
实施方案举例实施例1 氧化镁纳米棒薄膜的制备用(100)硅片作为基板，先在丙酮中超声清洗5分钟，然后在无水乙醇中超声清洗5分钟。
将硅片放入钨舟(120×20×0.3mm3)内；用钨棒或者陶瓷片缠绕金属镁带，放置在硅片的正上方，二者间的距离为1mm～5mm。将上述安装好的钨舟放入真空装置，将真空装置抽真空至4-5Pa的真空度，然后维持该真空度。
将钨舟加热至一定温度T1(T1＝700-900℃)，同时蒸发源金属镁的温度T2达到其升华温度430℃，然后保温5分钟。
接着通入氧气，流速约为5-10sccm，并保温20分钟。
最后停止通氧气，降温并冷却至室温。
对通过上述步骤所制备出的氧化镁准一维纳米结构及其薄膜，用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及透射电镜(TEM)进行了表征与分析，同时测试了其场发射性能。以下结合附图作进一步说明。
图1为利用上述方法制备的氧化镁纳米棒薄膜的SEM照片。从图中看到所制备的纳米棒薄膜长度为1～3μm，直径为100～300nm之间，分布比较均匀。
图2为利用上述方法制备的氧化镁纳米棒薄膜的XRD分析结果。XRD表明所制备的纳米棒为单晶氧化镁。
图3为利用上述方法制备的氧化镁纳米棒的TEM照片和电子衍射照片。从电子衍射图看到所制备的氧化镁纳米棒晶体的生长方向为[100]方向。
图4为利用上述方法制备的氧化镁纳米棒薄膜的场发射特性曲线(I-V曲线和FN曲线)。该样品的开启电场为7.3MV/m(发射电流密度为10μA/cm2)，最大电流密度为7.537mA/cm2。
实施例2 氧化镁纳米锥薄膜的制备制备方法与实施例1的方法相似，不同之处是在蒸发源温度T2和通入氧气的流量值不同。即用(100)硅片作为基板，并进行清洗处理；将清洗好的硅片放入钨舟内，蒸发源金属镁带放置在硅片的正上方；将上述安装好的钨舟放入真空装置，并抽真空至4-5Pa；将钨舟加热至温度T1(T1＝700-900℃)，蒸发源金属镁温度T2达到600℃，然后保温5分钟；接着通入氧气，流速约为20sccm，并保温20分钟；最后停止通氧气，降温并冷却至室温。
图5为利用上述方法制备的氧化镁纳米锥薄膜SEM照片。
实施例3 结型氧化镁纳米棒薄膜的制备制备方法与实施例1的方法相似，不同之处是通入氧气的流量值不同。即用(100)硅片作为基板，并进行清洗处理；将清洗好的硅片放入钨舟内，蒸发源金属镁带放置在硅片的正上方；将上述安装好的钨舟放入真空装置，并抽真空至4-5Pa；将钨舟加热至温度T1(T1＝700-900℃)，加热蒸发源金属镁的温度T2达到其升华温度430℃，然后保温5分钟；接着通入氧气，流速约为20sccm，并保温20分钟；最后停止通氧气，降温并冷却至室温。
图6为利用上述方法制备的结型氧化镁纳米棒薄膜的SEM照片。
实施例4 氧化锌、氧化铬等准一维纳米材料的制备方法分析与金属镁相似，锌、铬等金属在真空环境中会发生低温升华现象，并且真空度越高，升华温度越低。另外，根据文献1，2报道，采用CVD或PVD(物理气相沉积)方法所制备的氧化锌准一维纳米材料的制备温度均高于锌在真空条件中的升华温度，而这一现象与本发明的实施例1和2中的氧化镁准一维纳米材料制备过程所发生的现象相同，因此，采用上述发明的方法，同样可以制备氧化锌、氧化铬等某类金属氧化物的准一维纳米材料。
参考文献1.P.X.Gao，Z.L.Wang，J.Phys.Chem.B 2004，108，7534-75372.X.Wang，et al，Appl.Phys.Lett.，2004，84，494权利要求
1.一种制备低升华温度高沉积温度金属氧化物准一维纳米结构及其薄膜的方法，其特征在于在真空中、基板温度高于蒸发源温度条件下，通过加热金属源使其蒸发；然后通入氧气，使所蒸发的金属和氧气反应形成相应金属氧化物，并沉积在基板上形成金属氧化物准一维纳米结构及其薄膜。
2.权利要求1所叙述的制备金属氧化物准一维纳米结构及其薄膜的方法，其工艺步骤是(1)清洗基板，除去基板上的杂质；(2)将基板置于高温区，并将低升华温度的金属蒸发源放置于低温区，然后将基板和蒸发源一起放置在真空装置中，将真空装置抽真空至10Pa以下；(3)将基板升温至一定温度T1，将蒸发源金属升温至其升华的温度T2，并保温，其中T1和T2需满足如下条件T2大于等于蒸发源的升华温度T0，T1大于T2，即T0≤T2＜T1；(4)通入流量小于20sccm的氧气，并保温；反应完毕，停止通氧气，降温并冷却至室温。
3.权利要求2所述的金属氧化物准一维纳米结构及其薄膜的制备方法，其特征在于衬底基板温度高于蒸发源温度。
4.权利要求1或2所述的方法所制备的金属氧化物准一维纳米结构及其薄膜在电子器件中有应用。
全文摘要
本发明涉及一种制备低升华温度高沉积温度金属氧化物准一维纳米结构及其薄膜的方法。发明的特点是在真空中、沉积温度高于蒸发源温度条件下，蒸发源蒸发并沉积在衬底基板上形成准一维纳米结构及其薄膜。在一定真空条件下，不需要通入保护气氛，沉积基板位于高温区，金属蒸发源位于低温区并缓慢而稳定地蒸发；通入少量氧气，使其反应形成氧化物，并沉积在基板上形成准一维纳米结构及其薄膜。所制备的金属氧化物例如氧化镁、氧化锌、氧化铬准一维纳米材料在电子器件中有潜在的应用。
文档编号C23C16/52GK1904137SQ20061003691
公开日2007年1月31日 申请日期2006年8月3日 优先权日2006年8月3日
发明者许宁生, 龚力, 邓少芝, 陈军, 佘俊聪 申请人:中山大学