一种用于氧化锌纳米线及阵列生长的十字架（+）型激光烧蚀管式炉 |
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| 申请号 | CN201610283003.X | 申请日 | 2016-05-03 | 公开(公告)号 | CN105947974A | 公开(公告)日 | 2016-09-21 |
| 申请人 | 济南大学; | 发明人 | 曹丙强; 邱智文; 杨晓朋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于 氧 化锌 纳米线 及阵列生长的 激光烧蚀 十字架（+）型管式炉，包括靶材控制系统、载气流量控制系统、衬底加热系统、炉体、十字型 石英 管、 真空 获得与控制系统。本发明的激光烧蚀十字架（+）型管式炉具有高真空，靶材更换方便，实验方案灵活多变；能够实时掺杂，沉积速率可调等。（1）通过激光烧蚀十字架（+）型管式炉装置，可在蓝 宝石 衬底上生长高 密度 （10/μm2）氧化锌纳米线阵列；（2）通过在衬底上生长一层氧化锌 缓冲层 ，用激光烧蚀十字架（+）型管式炉装置生长低密度（0.1/μm2）氧化锌纳米线阵列；（3）在缓冲层上生长的氧化锌纳米线阵列的密度，随着靶材与衬底之间距离的增大而增大。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于氧化锌纳米线及阵列生长的十字架（+）型激光烧蚀管式炉，包括靶材控制系统、载气流量控制系统、衬底加热系统、炉体、十字型石英管、真空获得与控制系统，其具体工艺步骤如下： |
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| 说明书全文 | 一种用于氧化锌纳米线及阵列生长的十字架（+）型激光烧蚀管式炉 技术领域背景技术[0002] 氧化锌是一种新型的Ⅱ～Ⅵ族直接宽带隙化合物半导体材料，具有优异的光学和电学特性，室温下的带隙为3.37eV，激子束缚能为60meV，大于室温下的热离化能（25meV），具备了发射蓝光或近紫外光的优越条件，可开发出紫外、蓝光、绿光等多种发光器件。氧化锌纳米线由于具有独特的尺寸、维度及新颖的物理性质是人们研究的重点。在衬底上生长的氧化锌纳米线阵列，由于具有统一的生长方向，可以用来组装纳米线激光器、场发射平板显示器及纳米线发电机等。氧化锌纳米线阵列的制备方法可以分为液相法和气相法两种。如在2008年12月10日公开的中国发明专利申请公开说明书CN 101319372A中披露了“一种低温可控制备氧化锌纳米线的方法及其应用”。它意欲提供一种用预先沉积的氧化锌或者金属锌作为氧化锌纳米线生长的种子，来实现氧化锌纳米线生长密度的调控。但是，这种制备方法存在着不足之处，首先，需要严格控制种子层的厚度来实现对纳米线生长密度的控制；其次，用溶液法生长的氧化锌纳米线在衬底上的取向不好控制。这将直接影响氧化锌纳米线阵列在场发射、纳米线发电机等领域的应用。再如在2008年11月26日公开的中国发明专利申请公开说明书CN 101311358A中披露了一种“飞秒激光制备氧化锌纳米线阵列的方法及其装置”。它意欲提供一种用飞秒激光辐射场在氧化锌靶材上通过二维精密位移控制来实现氧化锌纳米线周期性生长。但是，这种制备方法也存在着不足之处，首先，这种方法是直接在靶材上生长纳米线，所制备的纳米线不利于二次利用；其次，需要精密机械控制台来实现纳米线的周期性生长，并且无法实现密度控制。 发明内容[0003] 本发明的目的在于克服上述现存技术的不足，提供一种用于氧化物纳米线及阵列生长的十字架（+）型激光烧蚀管式炉，该装置具有靶材更换方便，实验方案灵活多变，能够进行实时掺杂，沉积速率可调等优点，更为重要的是该装置可以大范围调节氧化锌纳米线的生长密度。 [0004] 本发明方法技术解决方案是：通过引入氧化锌缓冲层和调节靶材与衬底之间的距离来实现氧化锌纳米线阵列生长密度的大范围调控，其具体步骤如下：(1) 采用十字架（+）型激光烧蚀管式炉在蓝宝石衬底上，直接生长高密度氧化锌纳米线阵列； (2) 通过在蓝宝石衬底上引入一层氧化锌缓冲层，来实现低密度氧化锌纳米线阵列的生长； (3) 通过调节靶材与衬底之间的距离，实现氧化锌纳米线生长密度从低到高的调控。 [0006] 所说的高密度是指氧化锌纳米线在衬底上的生长密度数值在1/ μm2以上。 [0007] 所说的氧化锌缓冲层是指通过传统激光脉冲沉积生长在蓝宝石衬底上的一层厚度为20-50nm的氧化锌薄膜。 [0008] 所说的低密度是指氧化锌纳米线在衬底上的生长密度数值在1/ μm2以下。 [0009] 所说的氧化锌纳米线长密度从低到高的调控是指纳米线生长密度从0.1/ μm2到2 10/ μm之间变化。 [0010] 本发明优点在于: 利用缓冲层技术实现了低密度氧化锌纳米线的生长，并通过调节靶材和衬底之间的距离，实现了氧化锌纳米线生长密度的大范围调控。该发明生长工艺简单，重复性好，制备效率高，所制备的氧化锌纳米线阵列均匀，晶体质量高，可以满足氧化锌纳米线在场发射显示及光电器件方面得应用。附图说明 [0011] 图1 本发明所使用的用于氧化物纳米线及阵列生长的十字架（+）型激光烧蚀管式炉示意图。 [0013] 图3 先在蓝宝石衬底上生长一层50nm厚的氧化锌缓冲层，然后利用图2中的生长条件所制备的低密度氧化锌纳米线阵列的扫描电子显微镜照片。 [0014] 图4 以生长有氧化锌缓冲层的蓝宝石为衬底，使用图2中的方法，调节靶材与衬底之间的距离，而生长的不同密度的氧化锌纳米线阵列。图4-1、4-2、4-3分别对应靶材与衬底之间的距离为12、9、6mm。 [0015] 图5 本发明所实现的氧化锌纳米线阵列生长密度的调控范围：从0.1/μm2到10/μm2。 具体实施方式[0016] 下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明，但本发明不限于以下列举的特定例子。 [0017] 附图1是所采用的生长设备示意图。一个波长为248纳米的KrF激光，经过透镜聚焦以后沿着石英管轴心线到达氧化锌靶材上。靶材的正前方放有一个生长衬底。由于靶材吸收激光的高能量，被迅速融化并蒸发为等离子态的氧和锌。在图中所示流动载气的输送下，等离子态的氧和锌在衬底上沉积而生长成一维的氧化锌纳米线阵列。 [0018] 附图2是以附图1中方法生长的高密度的氧化锌纳米线阵列，通常其密度可以高达10/μm2. 所采用的衬底是a取向的蓝宝石（Al2O3），所采用的载气是高纯氩气（Ar），激光的波长是248nm，能量密度是2J/cm2，频率是10Hz，生长时间是10分钟。石英管内的生长压强是 100mbar，生长温度是800°C。靶材与衬底之间的距离为15mm。 [0019] 附图3是以附图1中方法生长的低密度的氧化锌纳米线阵列，通常其密度仅为0.1/μm2。所采用的衬底是生长了一层氧化锌缓冲层的a取向的蓝宝石（Al2O3）衬底。氧化锌缓冲层是用传统激光脉冲沉积法制备的，厚度为30nm。所采用的载气是高纯氩气（Ar），激光的波长是248nm，能量密度是2J/cm2，频率是10赫兹，生长时间是10分钟。石英管内的生长压强是100mbar，生长温度是800°C。靶材与衬底之间的距离为7mm。 [0020] 附图4是以图1中方法生长的低密度的氧化锌纳米线阵列，其密度介于1/μm2-0.1/μm2之间. 所采用的衬底是生长了一层氧化锌缓冲层的a取向的蓝宝石（Al2O3）。氧化锌缓冲层是用传统激光脉冲沉积法制备的，厚度为30nm。所采用的载气是高纯氩气（Ar），激光的能量密度是2J/cm2，频率是10Hz，生长时间是10分钟。石英管内的生长压强是100mbar，生长温度是800°C。图4-1、4-2、4-3三张扫描电镜照片对应的靶材与衬底之间的距离分别为12mm、9mm、6mm。 [0021] 实施例1（高密度氧化锌纳米线的生长）(1) 以纯度为99.999%的氧化锌粉末为原料，经过压片和烧结工艺，制成氧化锌的靶材； (2) 靶材固定于附图1所示位置，并通过外部马达带动匀速（20-30转/分）转动； (3) 石英管的直径是50mm，生长温度是825°C，载气是高纯氩气，流量是50SCCM，衬底是a趋向的蓝宝石（Al2O3），尺寸1×1cm2； 2 (4) 激光的工作条件是：波长248nm，频率10Hz，能量密度2J/cm ,生长气压是100mbar； 生长时间是20分钟； (5) 靶材和衬底之间的距离可以介于10mm-35mm。 [0022] 实施例2（低密度氧化锌纳米线的生长）(1) 所采用衬底是生长了氧化锌缓冲层的a趋向的蓝宝石（Al2O3），尺寸1×1cm2，缓冲层的厚度20nm-50nm； (2) 氧化锌缓冲层的激光脉冲沉积生长条件是：生长气压10-4mbar，背景气氛为氧气，生长温度625°C；激光的工作条件是：波长248nm，频率10Hz，能量密度3J/cm2，生长时间为2分钟； (3) 以纯度为99.999%的氧化锌粉末为原料，经过压片和烧结工艺，制成氧化锌的靶材； (4) 靶材固定于图1所示位置，并通过以外部马达带动匀速（20-30转/分）转动； (5) 石英管的直径是50mm，生长温度是825°C，载气是高纯氩气，流量是50SCCM； (6) 生长气压是100mbar；生长时间是20分钟； (7) 靶材和衬底之间的典型距离为6mm。 [0023] 实施例3（不同密度的氧化锌纳米线阵列的生长）(1)-(6) 同上述实施例2； (7) 靶材和衬底之间的距离从6mm依次增大为9mm，12mm和15mm。研究表明，随着靶材和衬底之间距离的增大，氧化锌米线阵列的密度逐渐增大。 [0024] 综上实验结果，通过本发明可以实现氧化锌纳米线阵列的可控生长，其生长密度可以从0.1/ μm2到10/ μm2四个数量级之间的调节，如附图5所示。密度可控的氧化锌纳米线阵列的生长对组装氧化锌纳米线的半导体异质结构、场发射显示器件及纳米发电机均具有至关重要的科学和现实意义。 |
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