专利名称：基于液晶掩模的氧化锌纳米晶体定向生长方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于陶瓷材料技术领域，涉及氧化锌纳米晶体的制备方法和装置，特指一种基于液晶掩模的氧化锌纳米晶体定向生长的方法和装置。
背景技术：
定向生长的ZnO纳米晶体在传感器、光电和场发射领域有着非常广泛的应用，也一直是科学研究领域的热点。文献《Controlled Growth of ZnO Nanowires andTheir Optical Properties》Yang，P.D.，et al.，Adv.Funct.Mater.(2002)12(5)，323和文献《Optical recombination of ZnO nanowires grown on sapphire and Si substrates》Zhao，Q.X.，et al.，Appl.Phys.ett.(2003)83(1)，165文献《Crystallographicorientation-aligned ZnO nanorods grown by a tin catalyst》Gao，P.X.，et al.，Nano Lett.(2003)3(9)，1315用Au、Sn作为催化剂，在基底上取向生长出高度定向的纳米线，如果预先在Au薄膜上制成图案，可稳定地达到纳米线的选择性生长。文献《Growth of large periodic arrays of carbon nanotubes》Huang，Z.P.，et al.，Appl.Phys.Lett.(2003)82(3)，460利用PECVD等离子增强化学气相淀积法和带有图案的掩模制备定向生长的碳纳米管，等等。这些方法定向生长的纳米晶体与基片的催化剂薄膜的图案(或者掩模的图案)的形状和加工精度有着密切的关系，并且掩模(图案)制作加工线度很小时因激光通过掩模缝隙发生衍射使图形标记模糊，且更换标记图形时需另外制作掩模。
与本发明最为接近的现有技术有专利200510094160.8，“一种基于液晶掩模表面微细加工方法和装置”，其根据工件表面要求加工的微观形状制作相应的掩模，激光通过液晶掩模后由于显示屏图形的阻断作用，激光束成为与工件表面要求加工的微观形状一致的多束微细光斑，照射到工件表面后在工件表面烧蚀出所需形状的凹坑；以及专利03114802.6“一种过渡金属氧化物纳米线及其三维多孔纳米晶体的制备方法”。其以二氧化硅型介孔固体为模板，对孔表面进行硅氨基化修饰，利用酸碱中和可以控制过渡元素的同多酸及杂多酸有序进入孔道，也可以利用胺与过渡金属离子配位作用引入过渡金属离子，通过控制引入物种的含量、组成、热分解温度、热处理时间以及硅溶解，制备多种过渡金属氧化物纳米线及其三维多孔纳米晶体。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于液晶掩膜的激光ZnO纳米晶体定向生长的方法和装置，用激光通过光束空间调制器辐射液晶掩模，可通过改变液晶掩膜的灰度、激光辐射能量、作用时间等，来获取不同时间和空间分布的激光能量分布，利用激光的热效应在金属锌板表面定向生长ZnO纳米晶体。
实施本发明方法的装置包括激光束空间调制器、激光发生器、工件夹具系统、控制系统，其特征在于设有由计算机编程控制的液晶掩膜，且控制系统分别与激光发生器、液晶掩膜和工件夹具系统相连，工件夹具系统包括工件、工件夹具、工作台。激光发生器经激光束与激光束空间调制器I、液晶掩膜、激光束空间调制器II依次相连。
本发明方法的特征在于用激光通过光束空间调制器辐射液晶掩模，可通过改变液晶掩膜的灰度、激光辐射能量、光斑直径、作用时间等，来获取不同空间分布的激光能量分布，利用激光的热效应在金属锌板表面产生温度空间分布，当温度大于ZnO纳米晶体的生长温度阈值时，生成ZnO纳米晶体，从而实现ZnO的纳米晶体的定向生长，具体实施过程如下(1)根据定向生长的ZnO纳米晶体的要求，绘制出具有灰度的图案，在液晶显示屏上显示出图案而形成液晶掩膜，并由计算机控制液晶掩膜，实现快速的图案变换；(2)根据图案的复杂程度，选择激光工艺参数激光功率0.1-2.5kW、光斑直径0.5-3mm，作用时间0.1-1s。激光束经光束调制器均匀化调制与扩束后通过具有灰度图案的液晶掩膜，汇聚在金属锌板的表面，产生温度空间分布，实现ZnO纳米晶体定向生长。
由于液晶显示屏图案的灰度不同，激光束的通过率也不同，这就形成了空间分布也不同的激光能量，在金属锌板表面的温度也不相同，从而在金属锌板表面可以根据需要生成不同维数的ZnO纳米晶体组合。
本发明的优点是
1.通过采用可编程控制的液晶掩模和激光束的空间调制，采用液晶显示技术，制作成具有灰度的液晶图案显示，颜色深浅的不同，其透光率也不同，且连续可变，实现激光空间能量三维分布，可以在金属锌板表面可以根据需要生成不同维数的ZnO纳米晶体组合；2.由于可实时地进行计算机编程控制，液晶图案随时变换，真正实现了在线快速ZnO纳米晶体的定向生长，大大地降低了制模成本，有效地提高了生产效率；3.可以实现纳米级晶体定向生长。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是实现本发明的装置示意图。
1.激光发生器控制装置 2.激光发生器 3.激光束 4.激光束空间调制器I 5.液晶掩膜 6.液晶控制装置 7.激光束空间调制器II 8.金属锌板 9.工作台(含夹具) 10.工作台控制装置图2是用本方法定向生长氧化锌晶体的示意图11.金属锌板 12.生长氧化锌晶体区域 13.对应掩模 14.灰度1 15.灰度216.定向生长的氧化锌晶体组合 17.氧化锌一维纳米晶体 18.氧化锌二维纳米晶体具体实施方式
下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
用本发明方法进行氧化锌晶体定向生长的装置包括激光发生器控制装置(1)、激光发生器(2)、激光束(3)、激光束空间调制器I(4)、液晶掩膜(5)、液晶控制装置(6)、激光束空间调制器II(7)、金属锌板(8)、工作台(含夹具)(9)、工作台控制装置(10)，其中激光束空间调制器由凹透镜、凸透镜及均质器等组成。激光发生器(2)产生的激光束(3)经激光束空间调制器I(4)，穿过液晶掩膜(5)，再经过激光束空间调制器II(7)汇聚激光，在金属锌板表面(8)产生不同的空间能量分布，实现氧化锌晶体定向生长。
根据定向生长的要求，绘制出具有灰度的图案，在液晶显示屏上显示出图案而形成液晶掩膜，并由计算机控制液晶掩膜，实现快速的图案变换；通过激光发生器控制装置(1)选取适当的激光功率0.1-2.5kW、光斑直径0.5-3mm，作用时间0.1-1s，由激光发生器(2)产生的激光束(3)经导光系统进入激光束空间调制器I(4)，光束经过扩束、均质后均匀的空间能量分布。经过扩束和均匀化的激光束(3)通过液晶掩膜(5)，经激光束空间调制器II(7)将液晶掩膜屏上的图案汇聚到金属锌板(8)表面上，产生空间分布与图案一致的激光能量分布，从而在金属锌板的表面定向生长ZnO纳米晶体。通过工作台控制装置(10)可以自由调整激光束和工作台(9)上金属锌板的相对位置。图2为激光功率0.83kW、光斑直径2mm，作用时间0.3s，液晶掩模的灰度(14)为208，灰度(15)为96时，对应生长的氧化锌纳米线和四角晶体的组合。
权利要求
1.一种基于液晶掩模的氧化锌纳米晶体定向生长的方法，其特征在于(1)根据定向生长的ZnO纳米晶体的要求，绘制出具有灰度的图案，在液晶显示屏上显示出图案而形成液晶掩膜，并由计算机控制液晶掩膜，实现快速的图案变换；(2)根据图案的复杂程度，选择激光工艺参数激光功率0.1-2.5kW、光斑直径0.5-3mm，作用时间0.1-1s；激光束经光束调制器均匀化调制与扩束后通过具有灰度图案的液晶掩膜，汇聚在金属锌板的表面，产生温度空间分布，实现ZnO纳米晶体定向生长。
2.一种基于液晶掩模的氧化锌纳米晶体定向生长装置，包括激光束空间调制器、激光发生器、工件夹具系统、控制系统，其特征在于设有由计算机编程控制的液晶掩膜(5)，且控制系统分别与激光发生器(2)、液晶掩膜(5)和工件夹具系统相连，工件夹具系统包括工件、工件夹具、工作台(9)，激光发生器(2)经激光束(3)与激光束空间调制器I(4)、液晶掩膜(5)、激光束空间调制器II(7)依次相连。
全文摘要
本发明属于陶瓷材料技术领域，涉及氧化锌纳米晶体的制备方法和装置，特指一种采用基于液晶掩模的氧化锌纳米晶体定向生长的方法和装置。本方法提出的装置由激光发生器控制装置、激光发生器、激光束、激光束空间调制器I、液晶掩膜、液晶控制装置、激光束空间调制器II、金属锌板、工作台(含夹具)、工作台控制装置组成。由于液晶屏可以显示任意形状的图形，可通过改变液晶掩膜的灰度、激光辐射能量、作用时间等，来获取不同时间和空间分布的激光能量分布，利用激光的热效应在金属锌板表面定向生长ZnO纳米晶体(组合)。
文档编号C23C8/12GK1974401SQ200610097479
公开日2007年6月6日 申请日期2006年11月10日 优先权日2006年11月10日
发明者张永康, 鲁金忠, 李国杰, 王伟, 孔德军, 周骏 申请人:江苏大学