CN100581988C - 热蒸发稳定制备一维纳米结构材料的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热蒸发稳定制备一维纳米结构材料的装置和方法。一热蒸发部件的一端开有载气出口，另一端开有载气进口；热蒸发部件置于加热炉中，在热蒸发部件开有载气进口的一端安装有可伸入热蒸发部件中的滑杆，滑杆固定连接一装载热蒸发原料的舟，在位于加热炉部分的热蒸发部件中有生长一维纳米结构的基底。在温度和气压稳定在所设定值以后，原料能够通过滑杆传输到热蒸发部件的恒温区，致使原料在同一温度下均匀蒸发，以达到稳定均匀地制备一维纳米结构的目的。本发明克服了以往热蒸发制备一维纳米结构材料时原料不能在同一温度下均匀蒸发、进而很难稳定制备一维纳米结构材料的障碍，更容易稳定制备均匀的一维纳米结构材料。

Description

热蒸发稳定制备一维纳米结构材料的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种热蒸发稳定制备一维纳米结构材料的装置和方法

背景技术

一维纳米结构材料，包括纳米线、纳米带以及同轴纳米电缆是近几年纳米科学和技术领域研究的热点，目前已经发展了多种方法制备一维纳米结构材料，包括溶液法、化学气相沉积、模板法、物理热蒸发方法。在这些方法中又以物理热蒸发方法被得到广泛应用。通过这种方法可以制备目前大多数一维纳米结构材料，包括硅纳米线、纳米带，氧化物纳米线和纳米带等众多有应用前景的一维纳米结构材料(Z.R.Dai等Advanced FunctionalMaterials，13(1)，9～24，2003；US专利20020094450，6303015B1)。但是，目前所用物理热蒸发方法是将原料先放置在要加热的区域，然后对系统抽真空调节气压，再对系统进行解热。在加热的过程中原料的温度也在慢慢的升高，而原料在升温的过程中就已经慢慢的开始蒸发，蒸发物会随载气扩散到低温区域沉积下来进行一维纳米结构的生长。由此看来，系统在进入保温状态前，其实原料已经开始蒸发并持续到保温温度，在这个过程中，温度是一直增加变化的，这样，一维纳米结构的生长就是在一种不稳定的状态下进行的。因此，需要禁止原料在系统温度和气压达到稳定状态之前蒸发。

发明内容

本发明的目的是提供热蒸发稳定制备一维纳米结构材料的装置。

本发明的再一目的是提供热蒸发稳定制备一维纳米结构材料的方法。

本发明的热蒸发稳定制备一维纳米结构的装置包括：装载热蒸发原料的舟，滑杆，生长一维纳米结构的基底，热蒸发部件，加热炉；

一热蒸发部件的一端开有载气出口，另一端开有载气进口；

热蒸发部件置于加热炉中，在热蒸发部件开有载气进口的一端安装有一门，在门上安装有可伸入热蒸发部件中的滑杆，滑杆固定连接一装载热蒸发原料的舟，在位于加热炉部分的热蒸发部件中有生长一维纳米结构的基底。

所述的载气出口用于抽热蒸发部件的真空。

所述的载气进口用于向热蒸发部件中通反应气体、载气和/或保护气体。

所述的热蒸发部件置于加热炉中是部分热蒸发部件在加热炉中。

所述的热蒸发部件是一炉管，其截面形状可以是圆形、矩形或椭圆形；其材料可以是陶瓷、玻璃、石英或金属。一维纳米结构材料的制备在热蒸发部件中完成。

为了稳定达到稳定蒸发的目的，本发明装置中的原料传输部件-装载热蒸发原料的舟的材料可以是陶瓷、石英、玻璃或金属。主要根据制备一维纳米结构材料的最高温度选定装载热蒸发原料的舟的材料；装载热蒸发原料的舟的尺寸根据热蒸发部件的大小和恒温区大小以及所需承载原料的多少而定。

所述的滑杆材料可以是陶瓷、石英、玻璃或金属。其长度要保证能够将装载热蒸发原料的舟推送到热蒸发部件的恒温区中心。所述的滑杆可以通过手推、磁力、电力或液压等方式移动。

滑杆与装载热蒸发原料的舟用于在系统气压和温度稳定的情况下将原料输送到热蒸发反应温区。滑杆可以通过密封部件使得滑杆移动的过程中保持系统密闭。同样可以通过磁力传动装置、电力传动装置或液压传动装置实现滑杆移动以及系统之间的密封。

所述的装载热蒸发原料的舟可以在滑杆的带动下移动。装载热蒸发原料的舟和滑杆可根据制备一维纳米结构材料的需要为一个或一个以上。

本发明的热蒸发稳定制备一维纳米结构材料的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将一生长一维纳米结构的基底由热蒸发部件的门放置在位于加热炉中的热蒸发部件中，该生长一维纳米结构的基底根据不同一维纳米结构材料生长的需要，可以是晶体、石英、陶瓷、玻璃或金属，在生长一维纳米结构的基底上可以有金属催化剂或无金属催化剂；

(2)将制备一维纳米结构材料需要热蒸发的原料放置于装载热蒸发原料的舟内，关闭门，将装载热蒸发原料的舟通过滑杆移动到步骤(1)所述的热蒸发部件的一端；

(3)由步骤(2)的热蒸发部件的载气出口将热蒸发部件抽真空到需要的背底真空，然后由热蒸发部件的载气进口通入载气、反应气体和/或保护气体，使热蒸发部件的气压稳定在需要的压强下；

(4)对步骤(3)的热蒸发部件按所需的加热速度和程序加热至所需的温度并使之稳定；

(5)将步骤(2)装载热蒸发原料的舟通过滑杆移动到步骤(4)所述的热蒸发部件的恒温区(热蒸发温区)，这时，原料就在恒温区温度下均匀蒸发，并在生长一维纳米结构的基底上均匀稳定生长一维纳米结构材料；待到一定时间后，将装载热蒸发原料的舟通过滑杆拉出恒温区至热蒸发部件的低温区，原料就停止蒸发；

(6)将步骤(5)所述的热蒸发部件的温度按照需要的速度和程序降至室温，打开热蒸发部件的门，取出生长一维纳米结构的基底，在生长一维纳米结构的基底上得到稳定生长的均匀一维纳米结构材料。

所述的金属催化剂可以是金、银、铟、镓、铁、锡、铝、铜、镁或锌。

所述的保护气体可以是氩气、氮气、氦气、氢气、氖气或它们之间的混合气体。

所述的载气可以是氩气、氮气、氦气、氢气、氖气、空气或它们之间的混合气体。

所述的一维纳米结构材料可以是纳米线、异质结纳米线、纳米棒、纳米柱、纳米管、纳米晶须、纳米纤维、纳米同轴结构或纳米带。

所述的热蒸发原料可以是在一定温度和气压下由液体变为气体的挥发或蒸发的液体原料，也可以是在一定温度和气压下挥发和升华的由固体变为气体的固体原料。

本发明与现有的物理热蒸发制备一维纳米结构材料的装置和方法相比，本发明提供了一种稳定制备一维纳米结构材料的装置和方法。该方法的优点是：能够很好地控制原料的蒸发；能够使原料在一恒定的温度和压强下稳定蒸发，从而保证了最终一维纳米结构材料的稳定生长和均匀性。该装置通过进一步扩展，设置多个舟，每个舟通过各自的滑杆移动，根据需要，在所需要的时间和温度下将不同的原料推到所需要的位置，这样就实现了多原料的稳定蒸发，可以完成多组分一维纳米结构材料的制备或掺杂。

附图说明

图1.本发明实施例1、2、3在稳定制备纳米线时，热蒸发部件温度和气压达到稳定前的各部件位置示意图。

图2.本发明实施例1、2、3在稳定制备纳米线时，热蒸发部件温度和气压达到稳定后的各部件位置示意图。

图3.本发明实施例4中采用双舟和双滑杆，稳定制备硅锗异质结纳米线时，热蒸发部件温度和气压达到稳定前的各部件位置示意图。

图4.本发明实施例4中采用双舟和双滑杆，稳定制备硅锗异质结纳米线时，热蒸发部件温度和气压达到稳定后的各部件位置示意图。

图5.本发明实施例4中采用双舟和双滑杆，稳定制备硅锗异质结纳米线时，热蒸发部件温度和气压达到稳定后的各部件位置示意图。

图6.实施例1制备的硅纳米线。

图7.实施例2制备的氧化锌纳米线。

图8.实施例3制备的氧化铝纳米线。

附图标记

1.装载热蒸发原料的舟    2.滑杆    3.生长一维纳米结构的基底

4.热蒸发部件    5.加热炉

具体实施方式

实施例1.稳定制备硅纳米线稳定生长的装置和方法

请参阅图1。热蒸发稳定制备一维纳米结构的装置包括：装载热蒸发原料的舟1，滑杆2，生长一维纳米结构的基底3，一端开有载气出口，另一端开有载气进口的热蒸发部件4，一管式加热炉5。

装载热蒸发原料的舟选用高纯氧化铝陶瓷舟，装载热蒸发原料的舟的长度为12.5厘米，宽和高各为1.5厘米。滑杆采用氧化铝杆制成，滑杆长110厘米，滑杆与装载热蒸发原料的舟之间固定连接。生长一维纳米结构的基底采用硅单晶片，并经过标准的半导体清洗工艺清洗；生长一维纳米结构的基底硅单晶片距热蒸发部件中心15厘米并处于载气流动的下游。热蒸发部件是一管外径为45毫米、内径为42毫米的高纯氧化铝陶瓷管，两端通过密封圈密封，热蒸发部件长140厘米。管式加热炉的恒温区长为10厘米；

热蒸发部件4置于加热炉5中，在热蒸发部件4开有载气进口的一端安装有一门，在门上安装有可伸入热蒸发部件4中的滑杆2，滑杆固定连接一装载热蒸发原料的舟1，在位于加热炉5部分的热蒸发部件4中有生长一维纳米结构的基底3。

将该装置用于硅纳米线的稳定均匀生长。将上面所述的经过清洗的硅单晶片基底由热蒸发部件的门置于所述的位置。将2.5克用于热蒸发的一氧化硅(SiO)原料置于装载热蒸发原料的舟内，关闭门，将装载热蒸发原料的舟用滑杆拉出到热蒸发部件的一端。由载气出口将整个热蒸发部件抽真空到10^-4Pa背底真空。由载气进口通入保护性气体氩气和氢气的混合气体(氩气∶氢气的体积比为95∶5)，流量为100sccm。将气压稳定在需要的20000Pa压强。等到气压稳定后，将热蒸发部件由加热炉根据需要的程序和速度升到所需的温度。本实施例中采用均匀升温至1350℃，升温速度为10℃/分钟。待到热蒸发部件恒温区温度稳定在1350℃之后，将载有热蒸发原料一氧化硅的舟由滑杆推到热蒸发部件的恒温区(图2所示)。装载热蒸发原料的舟在恒温区中停留2小时。之后，将装载热蒸发原料的舟由滑杆拉出回到热蒸发部件的外端(图1所示)。然后将热蒸发部件按需要的程序和速度降温。本实施例中采用自然降温。待到整个热蒸发部件的温度降到室温后，打开热蒸发部件的门，取出生长一维纳米结构的基底，在生长一维纳米结构的基底上即可得到稳定生长的硅纳米线。

实施例2.稳定制备氧化锌纳米线稳定生长的装置和方法

本实施例采用如实施例1结构的装置。

装载热蒸发原料的舟选用石英舟，装载热蒸发原料的舟的长度为10厘米，宽和高各为1厘米。滑杆采用石英制成，滑杆长100厘米，滑杆与装载热蒸发原料的舟之间固定连接。生长一维纳米结构的基底采用氧化铝陶瓷片，并经过标准的半导体清洗工艺清洗；生长一维纳米结构的基底氧化铝陶瓷片距热蒸发部件中心20厘米并处于载气流动的下游。热蒸发部件是一管外径为40毫米、内径为38毫米的石英管，两端通过密封圈密封，热蒸发部件长120厘米。管式加热炉的恒温区长为8厘米；

将该装置用于氧化锌纳米线的稳定均匀生长。将上面所述的经过清洗的氧化铝陶瓷片基底由热蒸发部件的门置于所述的位置。将氧化锌粉末和石墨以10∶1(重量比)的比例1.5克均匀混合后置于装载热蒸发原料的舟内作为热蒸发的原料，关闭门，将装载热蒸发原料的舟用滑杆拉出到热蒸发部件的一端。由载气出口将整个热蒸发部件抽真空到10^-3Pa背底真空。由载气进口通入氩气和氧气的混合气体作为载气(氩气∶氧气的体积比为98∶2)，流量为50sccm。将气压稳定在需要的5000Pa压强。等到气压稳定后，将热蒸发部件由加热炉根据需要的程序和速度升到所需的温度。本实施例中采用均匀升温至1100℃，升温速度为10℃/分钟。待到热蒸发部件恒温区温度稳定在1100℃之后，将载有热蒸发原料的舟由滑杆推到热蒸发部件的恒温区(图2所示)。装载热蒸发原料的舟在恒温区中停留1小时。之后，将装载热蒸发原料的舟由滑杆拉出回到热蒸发部件的外端(图1所示)。然后将热蒸发部件按需要的程序和速度降温。本实施例中采用自然降温。待到整个热蒸发部件的温度降到室温后，打开热蒸发部件的门，取出生长一维纳米结构的基底，在生长一维纳米结构的基底上即可得到稳定生长的氧化锌纳米线。

实施例3.稳定制备氧化铝纳米线稳定生长的装置和方法

本实施例采用如实施例1结构的装置。

装载热蒸发原料的舟选用高纯氧化铝陶瓷舟，装载热蒸发原料的舟的长度为12.5厘米，宽和高各为1.5厘米。滑杆采用金属不锈钢制成，滑杆长110厘米，滑杆与装载热蒸发原料的舟之间固定连接。生长一维纳米结构的基底采用硅单晶片，并经过标准的半导体清洗工艺清洗；生长一维纳米结构的基底硅单晶片距热蒸发部件中心10厘米并处于载气流动的下游。热蒸发部件是一管外径为45毫米、内径为42毫米的高纯氧化铝陶瓷管，两端通过密封圈密封，热蒸发部件长140厘米。管式加热炉的恒温区长为10厘米；

将该装置用于氧化铝纳米线的稳定均匀生长。将上面所述的经过清洗的硅单晶片基底由热蒸发部件的门置于所述的位置。将氧化铝粉末和铝粉以及石墨以10∶1∶5(重量比)的比例1克均匀混合后置于装载热蒸发原料的舟内作为热蒸发的原料，关闭门，将装载热蒸发原料的舟用滑杆拉出到热蒸发部件的一端。由载气出口将整个热蒸发部件抽真空到10^-3Pa背底真空。由载气进口通入氩气和氢气的混合气体作为载气(氩气∶氢气的体积比为95∶5)，流量为60sccm。将气压稳定在需要的50000Pa压强。等到气压稳定后，将热蒸发部件由加热炉根据需要的程序和速度升到所需的温度。本实施例中采用均匀升温至1150℃，升温速度为10℃/分钟。待到热蒸发部件恒温区温度稳定在1150℃之后，将载有热蒸发原料的舟由滑杆推到热蒸发部件的恒温区(图2所示)。装载热蒸发原料的舟在恒温区中停留90分钟。之后，将装载热蒸发原料的舟由滑杆拉出回到热蒸发部件的外端(图1所示)。然后将热蒸发部件按需要的程序和速度降温。本实施例中采用自然降温。待到整个热蒸发部件的温度降到室温后，打开热蒸发部件的门，取出生长一维纳米结构的基底，在生长一维纳米结构的基底上即可得到稳定生长的氧化铝纳米线。

实施例4稳定制备硅锗异质结纳米线稳定生长的装置和方法

请参阅图3，热蒸发稳定制备一维硅锗异质结纳米线的装置包括：2个装载热蒸发原料的舟1，2个滑杆2，生长一维纳米结构的基底3，一端开有载气出口，另一端开有载气进口的热蒸发部件4，一管式加热炉5。

2个装载热蒸发原料的舟均选用高纯氧化铝陶瓷舟，装载热蒸发原料的舟的长度均为12.5厘米，宽和高各均为1.5厘米。2个滑杆均采用氧化铝杆制成，滑杆均长110厘米，2个滑杆分别与2个装载热蒸发原料的舟之间固定连接。生长一维纳米结构的基底采用硅单晶片，并经过标准的半导体清洗工艺清洗；生长一维纳米结构的基底硅单晶片距热蒸发部件中心15厘米并处于载气流动的下游。热蒸发部件是一管外径为45毫米、内径为42毫米的高纯氧化铝陶瓷管，两端通过密封圈密封，热蒸发部件长140厘米。管式加热炉的恒温区长为10厘米；

将该装置用于硅锗异质结纳米线的稳定均匀生长。将上面所述的经过清洗的硅单晶基底由热蒸发部件的门置于所述的位置。将2.5克用于热蒸发的一氧化硅(SiO)原料置于一个装载热蒸发原料的舟内，将2.5克用于热蒸发的一氧化锗(GeO)原料置于另一个装载热蒸发原料的舟内，关闭门，将2个装载热蒸发原料的舟用滑杆拉出到热蒸发部件的一端。由出气口将整个热蒸发部件抽真空到10^-4Pa背底真空。由载气进口通入保护性气体氩气和氢气的混合气体(氩气∶氢气的体积比为95∶5)，流量为100sccm。将气压稳定在需要的20000Pa压强。等到气压稳定后，将热蒸发部件由加热炉根据需要的程序和速度升到所需的温度。本实施例中采用均匀升温至1350℃，升温速度为8℃/分钟。待到热蒸发部件恒温区温度稳定在1350℃之后，将载有热蒸发原料一氧化硅的舟由滑杆推到热蒸发部件的恒温区(图4所示)。装载热蒸发原料一氧化硅的舟在恒温区中停留2分钟。之后，将载有热蒸发原料一氧化硅的舟由滑杆拉出回到热蒸发部件的外端(图3所示)。之后，将载有热蒸发原料一氧化锗的舟由滑杆推到热蒸发部件的恒温区(图5所示)。载热蒸发原料一氧化锗的舟在恒温区中停留2分钟。之后，再将载有热蒸发原料一氧化锗的舟由滑杆拉出回到热蒸发部件的外端。重复以上过程，将载有热蒸发原料一氧化硅的舟和载有热蒸发原料一氧化锗的舟交替推到恒温区并停留2分钟。重复500次。将两个载热蒸发原料的舟都拉出回到热蒸发部件的外端(图3所示)。然后将热蒸发部件按需要的程序和速度降温。本实施例中采用自然降温。待到整个热蒸发部件的温度降到室温后，打开热蒸发部件的门，取出生长一维纳米结构的基底，在生长一维纳米结构的基底上即可得到稳定生长的硅锗异质结纳米线。

必须指出的是，本发明所提供的装置和方法不限于实施例中采用的原料传输方式，还可是采用其它传输方式将载热蒸发原料的舟中的原料在装置系统达到稳定状态下传送到需要热蒸发的温度区域，比如，采用磁力传送装置、电力传送液压传送装置等。总之，本发明包含了将热蒸发原料传送到指定温区的其它方法。

当然，本发明也包括其它原料的传送组合方式，比如，作为一维纳米结构材料的掺杂制备，可以在热蒸发部件温度和压力达到稳定后将一维纳米结构生长原料和掺杂原料同时或一前一后由各自的载热蒸发原料的舟通过各自的滑杆推到热蒸发部件的需要位置。

另外，本领域技术人员还可以在本发明的精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包涵在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种热蒸发稳定制备一维纳米结构的装置，该装置包括：装载热蒸发原料的舟，滑杆，生长一维纳米结构的基底，热蒸发部件，加热炉；其特征是：

一热蒸发部件的一端开有载气出口，另一端开有载气进口；

热蒸发部件置于加热炉中，在热蒸发部件开有载气进口的一端安装有一门，在门上安装有可伸入热蒸发部件中的滑杆，滑杆固定连接一装载热蒸发原料的舟，在位于加热炉部分的热蒸发部件中有生长一维纳米结构的基底；

所述的热蒸发部件置于加热炉中是部分热蒸发部件在加热炉中。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述的热蒸发部件是一炉管，其截面形状是圆形、矩形或椭圆形；热蒸发部件的材料是陶瓷、玻璃、石英或金属。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述的装载热蒸发原料的舟和滑杆为一个或一个以上。

4.根据权利要求1或3所述的装置，其特征是：所述的装载热蒸发原料的舟的材料是陶瓷、石英、玻璃或金属；所述的滑杆材料是陶瓷、石英、玻璃或金属。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是：所述的生长一维纳米结构的基底是晶体。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征是：所述的晶体是石英、陶瓷、玻璃或金属。

7.一种利用权利要求1～6任一项所述的装置热蒸发稳定制备一维纳米结构材料的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

(1)将一生长一维纳米结构的基底由热蒸发部件的门放置在位于加热炉中的热蒸发部件中；

(2)将制备一维纳米结构材料需要热蒸发的原料放置于装载热蒸发原料的舟内，关闭门，将装载热蒸发原料的舟通过滑杆移动到步骤(1)所述的热蒸发部件的一端；

(3)由步骤(2)的热蒸发部件的载气出口将热蒸发部件抽真空到需要的背底真空，然后由热蒸发部件的载气进口通入载气、反应气体和/或保护气体，使热蒸发部件的气压稳定在需要的压强下；

(4)对步骤(3)的热蒸发部件按所需的加热速度和程序加热至所需的温度并使之稳定；

(5)将步骤(2)装载热蒸发原料的舟通过滑杆移动到步骤(4)所述的热蒸发部件的恒温区，这时，原料就在恒温区温度下均匀蒸发，并在生长一维纳米结构的基底上稳定均匀生长一维纳米结构材料；待到一定时间后，将装载热蒸发原料的舟通过滑杆拉出恒温区从而拉回到热蒸发部件外端的低温区，原料就停止蒸发；

(6)将步骤(5)所述的整个热蒸发部件的温度按照需要的速度和程序降至室温，打开热蒸发部件的门，取出生长一维纳米结构的基底，在生长一维纳米结构的基底上得到稳定生长的均匀一维纳米结构材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是：在生长一维纳米结构的基底上进一步有金属催化剂。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是：所述的金属催化剂是金、银、铟、镓、铁、锡、铝、铜、镁或锌。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征是：所述的一维纳米结构材料是纳米线、异质结纳米线、纳米棒、纳米柱、纳米管、纳米晶须、纳米纤维、纳米同轴结构或纳米带。

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