制备半导体纳米材料的有机气相沉积装置及方法

制备半导体纳米材料的有机气相沉积装置及方法
【专利摘要】本发明涉及半导体纳米材料领域，提供了一种制备半导体纳米材料的有机气相沉积装置及方法，包括：石英管，管式炉，以及气流控制设备，其中，所述管式炉包括炉腔，以及包裹在炉外壁的隔热材料层；所述石英管包括加热区和生长区，加热区位于所述管式炉内部，所述生长区位于管式炉加热区之外；所述石英管包括进气端，出气端，以及小孔通道区和引流通道区，载气引导所述石英管内高温升华的原料气体分子流动到所述石英管的生长区。本发明使得纳米材料的生长过程具有更强的调控作用，提高了纳米材料的制备效率，制备装置成本低廉，操作简单，无污染。
【专利说明】制备半导体纳米材料的有机气相沉积装置及方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体纳米材料领域，特别涉及半导体纳米材料的有机气相沉积装置及方法。

【背景技术】
[0002]有机半导体材料具有很多优良的性质，如功能可设计性、结构多样性、柔韧易加工性等，还具有质量轻、可低温大面积成膜、易大量制备和低成本等特点；在微、纳电子元器件及其集成电路中将有着广阔的应用前景。与宏观尺度的有机半导体材料相比，有机半导体纳米材料不仅在光、电、磁等性质方面有较大的提升和改进，而且还可以作为纳米电子元器件的组成单元和导线。对有机半导体纳米材料的结构、形貌、尺寸和生长方向的精确控制是实现有机半导体纳米材料在微、纳及光电子器件领域应用的关键。
[0003]至今为止，有很多关于合成或制备有机半导体纳米材料方法的报道，可分为物理法和化学法两大类。有机半导体纳米材料的制备方法主要包括如下几种:自组装法，再沉淀法，模板辅助法，有机气相沉积法等。
[0004]有机气相沉积(OVPD)法起初主要应用于OLED发光器件等的薄膜制备，利用载气体传输制备生长有机小分子薄膜。有机气相沉积(OVPD)法可以在大面积基板上更加快速均匀地生长有机小分子薄膜，同时也能够保持有机材料的高纯度。有机气相沉积(OVPD)法的研究和应用主要集中于有机半导体薄膜的制备，理论方面的模拟计算。近年来，一些研究组应用有机气相沉积(OVPD)法来研究有机半导体纳米材料。香港大学的Djurisic博士研究组，英国帝国理工的Sandrine Heutz博士研究组,重庆师范大学的苑进社教授课题组,中国科学院苏州纳米科技与纳米仿生研究所的Feng-Xia Wang课题组等开展了气相沉积法制备有机半导体纳米带和纳米线等纳米材料及器件的研究。
[0005]有机气相沉积法的现有装置需要在真空的环境下才能实现有机半导体纳米材料的制备。一种低成本，维护和操作简单，能实现规模化量产需求，绿色环保的有机气相沉积装置一直是业界寻求解决的问题。


【发明内容】

[0006]为了解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种用于半导体纳米材料制备的石英管，其包括:加热区以及生长区；半导体纳米材料的制备原料放置于石英管的加热区内，制备原料在高温升华后，其升华的原料气体分子流动到生长区，生成纳米材料。
[0007]根据本发明实施例的石英管，可选地，半导体纳米材料的制备原料放置在石英管内的石英舟上，石英舟的上方盖有石英盖，石英盖上开设一个或多个小孔。
[0008]根据本发明实施例的石英管，可选地，石英管还包括小孔通道区域，小孔通道区域包括多个小孔通道，升华的原料气体分子经过小孔通道，流动到石英管的生长区。
[0009] 根据本发明实施例的石英管，可选地，小孔通道个数大于或等于5个。
[0010]根据本发明实施例的石英管，可选地，石英管还包括引流通道区域，引流通道区域设置有供升华的原料气体分子通过的小孔通道，以及引入外部室温气流的引流通道。
[0011]根据本发明实施例的石英管，可选地，引流通道的入口开设于石英管的室温生长区的外壁上，外部气流经石英管管壁进入到石英管内部。
[0012]根据本发明实施例的石英管，可选地，引流通道经过石英管管壁的部分为，平行于石英管的具有一定长度的环状结构。
[0013]根据本发明实施例的石英管，可选地，引流通道的出口分布于小孔通道的附近。
[0014]根据本发明实施例的石英管，可选地，引流通道的出口为，以小孔通道为轴心的具有一定长度的环形结构。
[0015]根据本发明实施例的石英管，可选地，引流通道为4个管状结构，小孔通道的个数为I个，引流通道的出口分别分布于小孔通道的上下左右，呈十字排列。
[0016]根据本发明实施例的石英管，可选地，小孔通道的出口在气流水平流动方向上的位置，略超前于引流通道的出口的位置。
[0017]根据本发明的另一个方面，提供了一种半导体纳米材料的制备设备，其包括上述所有方案的石英管。
[0018]根据本发明的又一个方面，提供了一种半导体纳米材料的制备设备，其包括:石英管，管式炉，以及气流控制装置，管式炉包括炉腔，以及包裹在炉外壁的隔热材料层；石英管包括加热区和生长区，放置半导体纳米材料的制备原料的加热区位于管式炉内部，石英管的生长区位于管式炉外部；石英管包括进气端和出气端，气流控制装置控制输入的载气从石英管的进气端进入，引导石英管内高温升华的原料气体分子流动到石英管的生长区。
[0019]根据本发明实施例的制备设备，可选地，管式炉为三温段管式炉，该三温段管式炉沿气流流动方向分别设有高温段，中温段和低温段，石英管放置于三温段管式炉的高温段部分。
[0020]根据本发明实施例的制备设备，可选地，在三温段管式炉的高温段与中温段之间，中温段与低温段之间，分别设置有绝热材料层。
[0021]根据本发明实施例的制备设备，可选地，气流控制装置包括:气体流量计，用于控制气体的流速。
[0022]根据本发明实施例的制备设备，可选地，气流控制装置包括:精密针型阀以及气体流量计，在真空环境中，精密针型阀以及气体流量计协同调控载气气流缓慢地进入石英管的腔体。
[0023]根据本发明实施例的制备设备，可选地，气流控制装置还包括:真空泵，用于快速对石英管腔体抽真空；真空计，用于测量石英管腔体内是否是真空；截止阀，用于截止或导通气流通路，以保护真空计。
[0024]根据本发明实施例的制备设备，可选地，在石英管的生长区的外部的预定位置，设置有电场、磁场和/或电磁波。
[0025]根据本发明实施例的制备设备，可选地，石英管包括小孔通道区域，小孔通道区域位于石英管的进气端与出气端之间的部分，小孔通道区域包括多个小孔通道，升华的原料气体分子经过小孔通道，流动到石英管的生长区。
[0026]根据本发明实施例的制备设备，可选地，小孔通道区域位于石英管在管式炉加热中心的一侧，该侧靠近气流出口方向。
[0027]根据本发明实施例的制备设备，可选地，小孔通道区域的起始端位于距离管式炉内部加热中心70_，结束端位于管式炉靠近气流出口方向的炉壁处。
[0028]根据本发明实施例的制备设备，可选地，石英管包括引流通道区域，引流通道区域位于石英管的进气端与出气端之间的部分，引流通道区域设置有供升华的原料气体分子通过的小孔通道，以及引入外部室温气流的引流通道。
[0029]根据本发明实施例的制备设备，可选地，引流通道的起始端位于管式炉加热中心的一侧，该侧靠近气流出口方向。
[0030]根据本发明的再一个方面，提供了一种半导体纳米材料的制备方法，其包括以下步骤:将半导体纳米材料的原料放入加热区；对所述加热区进行加热；通过运载气体，将高温升华后的原料气体分子引导至室温生长区生长纳米材料。
[0031]根据本发明实施例的制备方法，可选地，将半导体纳米材料的原料放入石英管的加热区；将石英管放入管式炉中加热；通过运载气体，将高温升华后的原料气体分子引导至石英管的生长区生长纳米材料。
[0032]根据本发明实施例的制备方法，可选地，将半导体纳米材料的原料放入石英舟内，将带有一个或多个小孔的石英盖盖在石英舟上，将盖有石英盖的石英舟放入石英管的加热区。
[0033]根据本发明实施例的制备设备和制备方法不仅可用于有机半导体纳米材料的制备，还可用于无机半导体纳米材料的制备。
[0034]本发明所提供的有机半导体纳米材料的有机气相沉积装置，该装置通过调控有机气相沉积的温度场、温度梯度、源基距离、气氛压强、气体流量、气体温度，以及通过调控电场强度、磁场强度和电磁波频率，较好地控制有机半导体纳米材料的结构、形貌、尺寸和生长方向，特别是有机半导体纳米线/棒。另外，本发明所提供的有机气相沉积装置使加热升华的有机半导体材料气体能够快速流动，在很短时间内流到中温段、低温段和室温段的纳米材料生长区域，并均匀布满纳米材料生长区域，从而使得加热升华的有机半导体材料能在生长区域大量生长纳米材料，提高了纳米材料的制备效率。本发明的效果和益处是不需要使用模板和催化剂，高效率低成本地制备结晶好，无缺陷，高纯度的有机半导体纳米材料；获得具有新晶体结构，优异光、电、磁等物理化学特性的有机半导体材料；在常压下调控有机半导体纳米线/棒的直径、生长方向和晶体结构，有利于器件的制备和降低成本。直径小于lOOnm、尺寸可控的有机半导体纳米线束能保持相同的生长方向达到厘米量级，实现有机半导体纳米材料及器件的低成本和高效的生长制备。

【专利附图】

【附图说明】
[0035]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
[0036]图1是有机半导体纳米材料制备设备的示意图；
[0037]图2是三温段管式炉的结构示意图；
[0038]图3a是具有小孔通道区域的石英管在单温段管式炉中的结构示意图；
[0039]图3b为图3a在1-1处竖直方向的剖面图；
[0040]图4a为具有引流通道区域的石英管在单温段管式炉中的结构示意图；
[0041]图4b为4通道的引流通道区域在2-2处的竖直方向剖面图；
[0042]图4c为4通道的引流通道区域在3-3处的竖直方向剖面图；
[0043]图4d为4通道的引流通道区域在4-4处的竖直方向剖面图；
[0044]图4e为环状入口的引流通道区域在4-4处竖直方向剖面图；
[0045]图4f为管状入口环状出口的引流通道区域在2-2处竖直方向剖面图。

【具体实施方式】
[0046]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。
[0048]本发明的有机半导体纳米材料的制备设备主要组成部分包括:石英管、管式炉、以及气流控制装置，石英管主要用来提供有机半导体材料的加热升华、反应以及纳米材料生成的载体；管式炉主要是用于对石英管进行高温加热；气流控制装置主要是将运载气体输入到石英管，引导高温升华的有机半导体原材料分子的流动，并回收从石英管输出的气体。
[0049]实施例一
[0050]图1是有机半导体纳米材料制备设备的示意图。参见图1，石英管11为管状结构，石英管11的一部分放置于管式炉12中，其他部分置于管式炉12外部；石英管11包括一个进气端111和一个出气端112，其进气端与气流控制装置13的气体输入部分131连接，其出气端113与气流控制装置13的气体输出部分132连接。
[0051]其中，石英管11在管式炉12内的部分为物料加热区；石英管11在管式炉12外部的靠近气流流出方向的部分为生长区，生长区是有机半导体纳米材料生长区，在此生长区，在预定位置处设置电场、磁场和电磁波来分别实现横向和径向控制纳米线的生长，优选地，电场强度在0-500V之间,磁场强度在0-2Tesla之间，电场强度和磁场强度变化包括径向及横向上的变化。可选地，石英管中的加热区域上优选设置石英舟，石英舟的尺寸以具体实验而定，而且在石英舟的上方盖有小孔的石英盖子，盖子上的小孔直径和数量均可变，具体的以实际实验的需求而定；在生长区优选设置基底，该基底可以使用，但不限于，不锈钢片，硅片，氧化铝片，陶瓷，玻璃，塑料等材质形成的基底。对该基底的性质没有任何限制。优选地，石英管11的外径是40mm,内径是32mm,长度是1800mm。
[0052]管式炉12包括一个炉腔区121以及包裹在管式炉12外表面的绝热材料层122。
[0053]可选地，管式炉12为单温段管式炉，其炉腔121的长度为440mm，腔内的加热区位于炉中央位置，通常，加热区的长度为300mm，管式炉12的绝缘材料层122的厚度可以为50mm或100mm。管式炉12可以进行程序化精确控温，最高温度为1200摄氏度。
[0054]气流控制装置13包括载气输入部分131和载气输出部分132，载气从载气输入部分131流入，从载气输出部分132流出。参见图1，在本发明实施例中，载气输入部分131设置在石英管11的左端；载气输出部分132设置在石英管11的右端，载气的气流方向为从左向右流动。
[0055]载气输入部分131包括一个进气口 1311，气路管道1312，精密针型阀1313，气体流量计1314，气路总成1315，截止阀1316，真空计1317。进气口 1311与气路管道联通，运载气体从气流控制装置13的载气输入部分131的进气口 1311进入，经气路通道1312可以到达气路总成1315，然后可以流入石英管11的进气端111，气路管道1312可以设计为分别与进气口 1311连通的上下两路通道，在其中一路通道上，可以设置精密针型阀1313，在另一路通道上，可以设置气体流量计1314，精密针型阀1313可以与气体流量计一起使用，用于控制气流的流速。截止阀1316可以设置在气路总成1315上，真空计1317可以设置在截止阀1316的上方，用于测量腔体内的真空度；截止阀可以起到保护真空计1317的作用。
[0056]气流控制装置13的载气输出部分132的设计与载气输入部分131的机构类似，也可以包括气路管道1312，精密针型阀1313，气体流量计1314，气路总成1315，截止阀1316，真空计1317，和出气口 1318，其中，出气口 1318与气路管道1312连通，用于排出管道内的气体。另外，与载气输入部分131不同的是，气体输出部分132的气路总成1315上，还可以连接一个真空泵1319，用于快速地对石英管11腔体抽真空。
[0057]本发明实施例的有机半导体纳米材料的制备设备在常压环境、低压环境或是真空环境中都可以使用。在常压环境下，只要石英管内无任何杂质，气体控制设备中的精密针型阀1313、真空计1317、精密针型阀1313、截止阀1316以及真空泵1319等组件均可以省略，仅通过气体流量计1314来控制气体的流速即可。如此设计的制备设备变得更为简单实用，制备成本也更低廉。
[0058]使用真空泵1319抽一段时间真空后，在低压环境或真空环境下，打开截止阀1316，再打开真空计1317测量腔体内的真空度，如此可以保护真空计。在载气进入之前，关闭载气输入部分131的截止阀1316和真空计1317，然后输入载气，此时，气体流量计1314和精密针型阀1313可以一起使用，用于保证载气气流缓慢地进入石英管11的腔体内。
[0059]在本发明实施例中，有机半导体纳米材料的制备过程如下:
[0060]首先，将制备纳米材料的原料，即，有机半导体材料，放入石英管11的石英舟内；[0061 ] 然后，按实验方案安装好实验装置；
[0062]再后，打开气流控制装置，通入运载气体一定时间后，启动管式炉加热物料，运载气体将加热升华的物料引导流动到石英管11的生长区；
[0063]最后，物料气体分子可以在石英管11的生长区生成纳米材料。
[0064]上述制备过程中，在单温段管式炉的中央，石英管11中的有机半导体物料被高温加热升华成气体分子，气体分子在载气的作用下，通过管式炉12的绝热保温层122，温度发生骤变，气体分子继续在运载气体的作用下到达石英管11的炉外生长区，并在炉外生长区生长出纳米材料，从气流控制装置输入的运载气体可以是惰性气体，可选地，使用N2或是Ar。
[0065] 因此，本发明实施例通过管式炉12外壁的绝热材料层122，能够使温度骤降，促使升华的气体分子在下进行生长；另外，气流控制装置，能够有效地输送运载气体，加速升华的纳米气体分子向生长区流动，从而高效地生成有机小分子半导体纳米材料。并且，本发明实施例在制备过程中可以不需要真空环境；制备设备成本低廉，操作简单，无污染。
[0066]实施例二
[0067]在实施例一的基础上，管式炉还可以采用三温段管式炉，即管式炉包括，低温段，中温段以及高温段，图2是三温段管式炉的结构示意图。如图2所示，石英管21放置在三温段管式炉22中，该三温段管式炉21沿气流运动方向分别划分成高温段221，中温段222以及低温段223，在管式炉22的整个外表面，以及在高温段221与中温段222之间，中温段222与低温段223之间，分别设置有绝热材料层224。可选地，绝缘材料厚度为50mm或10mm ；三温段管式炉每个温段之间的绝热材料的厚度为50mm或100mm。
[0068]使用三温段的管式炉制备纳米材料与单温段管式炉方案不同之处在于，三温段管式炉包括三个温段，高温段，例如400-60(TC，优选400-50(TC ;中温段，例如100-300°C，例如100-150。。;低温段，例如10-100。。，或者10-500C ο在高温段中，以例如小于等于10°C /min的升温速度，或者小于等于8°C /min，或者小于等于5°C /min，或者小于等于2V /min、或者小于等于TC /min的升温速度逐渐升温至400°C至600°C的温度，例如480°C，或者450°C的温度。越接近预定温度，加热间隔越小。在三温段管式炉22的高温段的中央，石英管21中的有机半导体材料被高温加热升华成气体分子，达到设定温度后，保持一定时间。通常保持原料在高温段，维持例如2至6小时，或者例如3至5小时。在原料升华过程中，引入的运载气体将升华的气体分子运载到生长区生长纳米材料，升华的气体分子通过三温段管式炉22中每个温段之间的绝热材料，温度发生骤变，历经中温段、低温段和室温段，升华的气体分子温度依次骤降。高温段、中温段、低温段和室温段邻接设置。升华的气体分子在中温段、低温段和室温段生长纳米晶体。
[0069]无论是单温段管式炉还是三温段管式炉，都可以有效地对有机半导体纳米材料进行制备，使用这两种管式炉，石英管室温段生长的纳米线在形貌、结构、性质方面几乎表现一致。在三温段管式炉中，只使用了高温段，其余的温段(中温段和低温段)都是自由变化。不同之处是:在三温段炉子中，三个温段与外界的隔热效果较好，中温段和低温段受高温段温度的影响较大；例如，加热结束后，中温段的终温可能会达到144°C左右，是由室温慢慢升至144°C，可以生长出网状纳米材料，例如，网状酞菁钴纳米线；低温段的终温可能会达到为33°C左右，同样由室温慢慢升至33°C，会出现死区，即不会生长出纳米材料。而单温段管式炉，只有一个温段，相当于三温段管式炉的中温段和低温段全部置于室温状态，这样，除了在管式炉11外附近(例如，距离管式炉炉壁大约1cm处)，由于会受加热温区的影响，长成了网状纳米线之外，余下的室温段区域都能生长线状，或是集成束状的纳米线，不会出现死区。
[0070]实施例三
[0071]如果气体分子没有及时流动到石英管的生长区，并且由于炉腔内靠近电阻丝的中央位置温度最高，其他地方温度稍低，因此，一段时间后(例如，3小时后)，部分气体分子将会在管式炉靠近炉壁的位置形成针状粗大晶体，随着实验制备时间的延长，粗大晶体的量会越来越多，严重影响石英管在管式炉外的室温段生长的纳米材料的量。因此，为了加快原料气体分子在这个位置处的流速，在实施例一和实施例二的基础上，还可以对石英管的内部结构做下述的改进。
[0072]在本发明实施例中，在石英管的进气端与出气端的中间部分，设置一小孔通道区域，图3a是具有小孔通道区域的石英管在单温段管式炉中的结构示意图。如图3所示，在单温段管式炉中，石英管31的小孔通道区域311位于管式炉32内部，靠近气流流出方向的炉壁一侧，优选地，该小孔通道区域的初始端位于管式炉32的加热区域，结束端位于管式炉32的靠近气流流出方向的炉壁侧壁。优选地，小孔通道区域311的初始端距离管式炉32的中心位置70mm。在三温段管式炉中，该小孔通道区域的初始端位于管式炉32高温区，更具体地，距离高温区中心位置70_，小孔通道区域总长度为100_。
[0073]图3b为图3a在1-1处竖直方向的剖面图，参见图3b，在石英管31的小孔通道区域311内，设有多个小孔通道3111-3115，这些小孔通道3111-3115被设置成在水平方向上与石英管31的轴心平行，且设置在石英管轴心位置或轴心位置周围，优选地，小孔通道的个数为5个，也可以多于5个，小孔通道越多，气体分子的流速越快，流动到室温区的气体分子越均匀，由此，气体分子可以布满整个石英管的室温区域，并在室温区域的管内各个地方都生长出纳米材料。优选地，小孔通道区域的小孔的孔径为5_，长为100_。而石英管31的外径为40mm,内径为32mm,长为1800mm。另外,在此小孔通道区的外壁上还可以布满加热电阻丝，用于加热升高这个区域的温度，避免在此位置形成粗大的有机半导体晶体。
[0074]在该实施例中，如果采用单温段管式炉，那么，被载气承载的升华气体分子的气流首先要经过管式炉31的炉腔312的加热区被加热，然后通过小孔通道区域311，气流被小孔通道区域311的小孔通道3111-3115分成若干股气流之后，继续流动到炉外石英管31室温段的部分，在该室温段生成纳米材料，例如，纳米线。
[0075]如果采用三温段管式炉，那么，被载气承载的升华气体分子的气流首先要经过管式炉的炉腔312的高温区被加热，然后通过小孔通道区域311，气流被小孔通道区域311的小孔通道3111-3115分成若干股气流之后，继续流向三温段管式炉的中温段和低温段部分，然后流动到炉外石英管31室温段的部分，在该室温段生成纳米材料。
[0076]本实施例中，由于小孔通道区域的孔径变小，通道增多，气体分子在小孔内的流速增大，因此气体停留在小孔通道区域的几率变小，如此可以促使大部分的气体分子迅速通过该区域，到达炉外的室温区域，从而可以生长出更多的纳米线。另外，小孔通道越多，气体分子的流速越快，流动到室温区的气体分子越均匀，由此，气体分子可以布满整个石英管的室温区域，并在室温区域的管内各个地方都生长出纳米材料。小孔通道区域的设计，使得纳米材料的生长过程具有更强的调控作用，能够达到量产的需求。
[0077]实施例四
[0078]为了加快升华的原料气体分子的流速，并且使其迅速降到室温进行生长，在实施例一和实施例二的基础上，还可以对石英管的内部结构做下述的改进。在该实施例中，可以从石英管的外壁引入气流，对加热原料升华的气体分子进行作用。
[0079]图4a为具有引流通道区域的石英管在单温段管式炉中的的结构示意图，参见图4a，在石英管41的进气端与出气端的中间部分，设置一个引流通道区域411。优选地，在本实施例中，不同位置的石英管，其外径尺寸不同，参见图4a，石英管41在管式炉42内部的部分(简称第一部分)，以及，石英管41的引流通道区域411部分(简称第二部分)，其外径大于石英管41的其他部分的外径。优选地，石英管41上述第一和第二部分的外径为50mm，内径为32mm ;其他部分的外径为40mm,内径为32mm,石英管总长为1800mm。优选地,在单温段管式炉中，石英管41的引流通道区域411的起始端位于管式炉32内部，结束端位于管式炉42外部。优选地，引流通道区域411初始端位于管式炉42的加热区，具体地，引流通道区域411起始端距离管式炉42中心70mm处。在三温段管式炉中，石英管41的引流通道区域411的起始端位于管式炉的高温区，具体地，引流通道区域411起始端距离管式炉高温区中心70mm处。
[0080]在该实施例中，从石英管41外壁引入的多股进气流，该多股进气流不经过管式炉42的炉腔加热区，而是从石英管41在管式炉42的外部的管壁进入，并通过管壁中开设的气流通道流动到石英管内部，从而能够和管式炉42的炉腔加热区流过来的气流进行作用，最后再从石英管41的出气端流出。
[0081]参见图4a，在石英管41的外壁开设若干个引流通道4112，4113，该些引流通道的入口开设于石英管管壁外部，出口开设在石英管内部，通道可以设计为管状结构，管壁外部的通道入口一端略伸出石英管外壁且垂直于外壁设置，直至石英管内外壁中间，然后90度折向石英管管壁水平方向，且向与加热升华气流方向相反的方向朝石英管管壁内部延伸，到达石英管41在管式炉42炉腔内部之后，该通道再次弯折成U型，从而使U型部分在石英管腔体内的端口，即通道出口，其方向朝向气流出口方向。优选地，该引流通道的U型部分全部位于管式炉42炉腔内部。
[0082]同时，在石英管41引流通道区域411的轴心位置，开设一个水平方向供升华的原料气体分子流出的小孔通道4111，该小孔通道的入口位于引流通道区域411的起始端面的圆心，该通道的出口位于上述引流通道区域411的引流通道出口附近位置，优选地，小孔通道4116的出口在水平的气流流出方向上的位置，略超前于所述引流通道的出口的位置。这种空间位置设计，可以使得从引流通道区域411引入的气流更好地作用于小孔通道4111流出的升华的原料气体分子的气流。
[0083]图4b为4通道的引流通道区域在2-2处的竖直方向剖面图；图4c为4通道的引流通道区域在3-3处的竖直方向剖面图；图4d为4通道的引流通道区域在4-4处的竖直方向剖面图。引流通道的个数为多个，优选为大于等于4个。图4d中的孔al，bl，cl，dl示出了引流通道4112-4115的通道入口以及垂直于石英管41管壁部分的位置和形状；图4c中的孔a2，b2, c2, d2示出了引流通道4112-4115平行于石英管41的管壁部分的截面形状。图4b示出了引流通道4112-4115与原料气体分子流经的小孔通道汇合处的U型部分的截面形状，参见图4b，引流通道4112-4115出口分布于原料气体分子气流通道出口的周围，即小孔通道4111的周围，例如，上下左右，优选地，该多个引流通道4112-4115的出气口距离供原料气体分子通过的小孔通道的出气口在竖直方向上的距离为10mm。其中，孔E为升华的原料气体分子流经的小孔通道4111截面；图4b中的孔a3，b3，c3, d3与图4c中的a2，b2，c2, d2相同，为引流通道4112-4115在石英管41的管壁上的截面形状，流到该位置的气流方向与升华的气体分子的流向相反；孔A3，B3, C3, D3是引流通道在出口附近的截面形状，流到该位置的气流方向与升华的气体分子的流向相同。优选地，引流通道中的每个通道4112-4115的内径为5mm，外径是10mm。引流通道4112-4115垂直于石英管41的部分的长度是100mm，引流通道4112-4115平行于石英管41的部分长度为260mm。
[0084]另外，为了减少从石英管外壁引入多股气流的复杂度以及增加引入气流的均匀度，引流通道与石英管平行的部分的入口和/或出口可以设计为环状，也可以设计为入口是环形，出口是管型；或入口是管型，出口是环形，等等。垂直于石英管41外壁的通道入口可以为一个或多个，仍然开设在石英管外壁上，入口一端略伸出石英管外壁且垂直于外壁设置，图4e为环状入口的引流通道的剖面图，参见图4e，该引流通道4116在石英管内壁和外壁中间的部分是一个环形结构，该环形结构部分与加热升华气流方向相反。图4f为管状入口，环状出口的引流通道的剖面图，参见图4f，该引流通道4117的U型部分末端，即通道出口部分，设计成环形，环形中央的小孔4111是升华的气体分子流通的小孔通道。
[0085]在本实施例中，由于在石英管41中增加了引流通道区域，外部气流从引流通道4112-4115的入口被引入，然后沿与石英管41平行的管壁上开设的引流通道流动到石英管41在炉腔内部的区域，然后再沿U型通道折返，最后从引流通道的出口流出。同时，升华的原料气体分子通过小孔通道4111的出口流出，与引流通道4112-4115的气流汇合，引流通道4112-4115流入的气流加速了原料气体分子气流的流速，使其能够快速流向石英管41的室温段，生长成纳米材料。并且，由于引流通道进来的气流的温度是室温温度，在和原料气体分子的气流汇合后，迅速降低了该气流的温度，减少了原料气体分子结成晶体的可能性，提闻了纳米材料的广量。
[0086]上述四个实施例均可以实现纳米材料的制备，可以根据不同需求采用不同的实施方式，例如，如果只需要得到100纳米的一个薄膜，或少量纳米线，则可以使用实施例一或二的方案；如果需要得到大量的纳米线和纳米薄膜，或者需要长时间制备纳米线或纳米薄膜，则可以采用实施例三或四。同时，但不限于，本发明的装置及方法还可以用于无机半导体纳米材料的制备。
[0087]根据本发明实施例的有机气相沉积装置，可以如前所述采用石英材质，也可以使用诸如玻璃、高温陶瓷、不锈钢等其它材质。
[0088] 以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。
【权利要求】
1.一种用于半导体纳米材料制备的石英管，其特征在于， 所述石英管包括:加热区以及生长区； 所述半导体纳米材料的制备原料放置于所述石英管的加热区内，所述制备原料在高温升华后，其升华的原料气体分子流动到所述生长区，生成纳米材料。
2.根据权利要求1所述的石英管，其特征在于， 所述半导体纳米材料的制备原料放置在所述石英管内的石英舟上，所述石英舟的上方盖有石英盖，所述石英盖上开设一个或多个小孔。
3.根据权利要求1所述的石英管，其特征在于， 所述石英管还包括小孔通道区域，所述小孔通道区域包括多个小孔通道，所述升华的原料气体分子经过所述小孔通道，流动到所述石英管的生长区，所述小孔通道个数大于或等于I个。
4.根据权利要求1所述的石英管，其特征在于， 所述石英管还包括引流通道区域，所述引流通道区域设置有供所述升华的原料气体分子通过的小孔通道，以及引入外部气流的引流通道。
5.根据权利要求4所述的石英管，其特征在于， 所述引流通道的入口开设于所述石英管的生长区的外壁上，外部气流经所述石英管管壁进入到所述石英管内部。所述引流通道经过所述石英管管壁的部分为，平行于所述石英管的具有一定长度的环状结构。
6.根据权利要求4所述的石英管，其特征在于， 所述引流通道为4个管状结构，所述引流通道的出口分别分布于所述小孔通道的上下左右，呈十字排列；或所述引流通道为多个，其出口分布于所述小孔通道的附近。
7.根据权利要求4所述的石英管，其特征在于， 所述引流通道的出口为，以所述小孔通道为轴心的具有一定长度的环形结构，所述小孔通道的出口在气流水平流动方向上的位置，略超前于所述引流通道的出口的位置。
8.一种半导体纳米材料的制备设备，其特征在于，包括权利要求1-7所述的石英管，管式炉，以及气流控制装置， 所述管式炉包括炉腔，以及包裹在炉外壁的隔热材料层； 所述石英管包括加热区和生长区，放置半导体纳米材料的加热区位于所述管式炉内部，所述石英管的生长区位于管式炉外部； 所述石英管包括进气端和出气端，所述气流控制装置控制输入的载气从所述石英管的进气端进入，引导所述石英管内高温升华的原料气体分子流动到所述石英管的生长区。
9.根据权利要求8所述的制备设备，其特征在于，所述管式炉为三温段管式炉，该三温段管式炉沿气流流动方向分别设有高温段，中温段和低温段；在高温段与中温段之间，中温段与低温段之间，分别设置有绝热材料层。
10.根据权利要求8所述的制备设备，其特征在于，所述气流控制装置包括:气体流量计，用于控制气体的流速。
11.根据权利要求8所述的制备设备，其特征在于，所述气流控制装置包括:精密针型阀以及气体流量计，在真空环境中，所述精密针型阀以及气体流量计精确控制气体的流量。
12.根据权利要求10或11所述的制备设备，其特征在于，所述气流控制装置还包括， 真空泵，用于对所述石英管的腔体抽真空； 真空计，用于测量所述石英管腔体内的真空度； 截止阀，用于保护真空计等。
13.根据权利要求8所述的制备设备，其特征在于， 在所述石英管的生长区的外部的预定位置，设置有可产生不同电场强度、磁场强度和/或电磁波频率的装置。在石英管生长区的横向及纵向调控纳米材料的生长。
14.根据权利要求8所述的制备设备，其特征在于， 所述小孔通道区域位于所述石英管在所述管式炉加热中心的一侧，该侧靠近气流出口方向，所述小孔通道区域的起始端位于距离所述管式炉内部加热中心70_，结束端位于所述管式炉气流出口方向。
15.根据权利要求8所述的制备设备，其特征在于， 所述引流通道的起始端位于所述管式炉加热中心的一侧，该侧靠近气流出口方向。
16.根据权利 要求8所述的制备设备，其特征在于，该设备不仅用于有机半导体纳米材料的制备，还可用于无机半导体纳米材料的制备。
17.一种半导体纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 将半导体纳米材料的原料放入加热区； 对所述加热区进行加热； 通过运载气体，将高温升华后的原料气体分子引导至室温生长区生长纳米材料。
18.根据权利要求17的制备方法，其特征在于， 将半导体纳米材料的原料放入石英管的加热区； 将所述石英管放入管式炉中加热； 通过运载气体，将高温升华后的原料气体分子引导至所述石英管的生长区生长纳米材料。
19.根据权利要求17的制备方法，其特征在于，将所述半导体纳米材料的原料放入石英舟内，将带有一个或多个小孔的石英盖盖在所述石英舟上，将盖有石英盖的石英舟放入所述石英管的加热区。
20.根据权利要求17的制备方法，其特征在于，该方法不仅用于有机半导体纳米材料的制备，还可用于无机半导体纳米材料的制备。
【文档编号】C23C16/448GK104073779SQ201410279763
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】王海, 罗金龙, 纪小林, 邹涛隅 申请人:昆明学院