CN101845619A - 一种制备ZnO纳米针阵列的方法 - Google Patents

一种制备ZnO纳米针阵列的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备ZnO纳米针阵列的方法，包括清洗Si基片表面、置入管式炉，其特征在于：前期热蒸发以升温率20-25℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1340-1360℃，炉管内保持在200-300Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为35-40sccm，持续时间25-30分钟；再行后期热蒸发沉积，以升温率20-25℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1430-1460℃，炉管内保持在200-300Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为35-40sccm，持续时间5-8分钟，完成ZnO纳米针阵列的制备。本发明方法所得到的ZnO纳米针阵列在硅基片上分布均匀致密，直径为100nm左右，长度为3μm左右，形态均匀。本发明制作工艺过程简便，不需任何催化剂。

Description

一种制备ZnO纳米针阵列的方法
技术领域
本发明属于电子材料技术领域，涉及宽禁带半导体ZnO光电材料，特别涉及一种制备ZnO纳米针阵列的方法。
技术背景
ZnO为直接宽禁带半导体材料，室温下3.37eV的宽禁带宽度的优异性使其在绿光、蓝光和紫外光学器件的应用具有极高的价值。ZnO的激子束缚能高达60meV，比半导体材料GaN的激子束缚能21meV要高得多，是室温热离化能(26mev)的2.3倍。这些特性使得ZnO成为继GaN材料后的又一新热点，是新型的第三代光电半导体材料的典型代表。
ZnO纳米材料受到维度和尺度的限制，表现出很多特有的效应，如：量子效应、小尺寸效应、表面效应以及库仑堵塞与量子隧穿效应。这意味着ZnO纳米线用于激光器、光学调制器、光开关等光电子器件更具有优越的性能。同时，ZnO纳米线阵列具有高亮度和良好的发光稳定性，其电子场发射性能可以满足平板显示器件亮度的要求，是一种很有潜质的平板显示器发光材料。具有针状形态的ZnO纳米材料，具有极小的曲率半径，使其更具有优越的场发射性能，因此ZnO纳米针阵列在场发射应用方面更具有潜质。然而其场发射的优越性能在平面显示器中应用的关键技术是对ZnO纳米针阵列进行可控生长，制备出排列整齐的ZnO纳米针阵列，所以制备出高质量的ZnO纳米针阵列具有非常重要的价值。
目前制备一维ZnO纳米材料的方法主要有：模板限制辅助生长法，热蒸发法，气相沉积法，金属有机气相外延法以及辅助水热氧化法。其中化学气相沉积法具有设备简单，操作容易，产量较大等优点，因此该方法是目前制备一维ZnO纳米材料的主要方法之一。一般情况下，通过化学气相沉积技术较为容易地制备出ZnO纳米线，而难以制备出形貌和性能优异的ZnO纳米针阵列。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在Si基片上采用化学气相沉积技术生长制备高质量ZnO纳米针阵列的方法。
本发明采用蒸发高纯度ZnO粉，通过Ar气作为传输气体的气相沉积技术，在生长过程中通过控制晶体生长的工艺条件，在Si基片上制备出高质量的ZnO纳米针阵列。本发明包括清洗Si基片表面、置入管式炉、化学气相沉积程序，具体步骤如下：
a、利用化学清洗方法将Si基片表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层，备用；
b、将盛有高纯度＞99.95％ZnO粉末的氧化铝舟放入管式炉中心的热蒸发位置；
c、将清洗好的单晶Si基片放入管式炉中生长位置，基片表面向上；
d、前期热蒸发沉积，热蒸发以升温率20-25℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1340-1360℃，炉管内保持在200-300Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为35-40sccm，持续时间25-30分钟；
e、再行后期热蒸发沉积，以升温率20-25℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1430-1460℃，炉管内保持在200-300Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为35-40sccm，持续时间5-8分钟，完成ZnO纳米针阵列的制备。
本发明方法的理论依据和机理
1、ZnO纳米针阵列的前期生长机理
在制备过程中，当炉管中蒸发区温度升高到ZnO粉末的热分解温度时，ZnO粉末热解为气相的Zn和O。由于分子热运动，气相的Zn和O向基片位置扩散。由于此时生长区的基片温度较低，饱和蒸汽压相应较低，此时成核的临界半径较小，成核速度较快，所以在基片表面的缺陷位置处发生二维成核，在基片上方发生三维成核并沉积在基片表面形成一层非晶态膜。当蒸发区温度升高到1340-1360℃时，生长区的基片温度达到ZnO的结晶温度，这一层非晶态的膜就结晶形成ZnO薄膜。由于ZnO薄膜表面能较大，起到了自催化的作用，所以在ZnO薄膜的自催化下，气相的Zn  和O沉积并沿ZnO的[0001]方向生长出ZnO纳米线阵列。
2、ZnO纳米针阵列的后期生长机理
由于生长前期保持在恒定的蒸发温度和生长温度，所以炉管内的温度及气压都处在一个稳定状态，在此过程中ZnO纳米线以恒定的生长速度沿[0001]方向匀速生长。当把炉管的温度继续上升至1430-1460℃时，前期生长的稳定状态被打破，由于蒸发温度升高，ZnO粉末的热分解速度增大，生长区的过饱和蒸汽压增大，根据晶体生长理论，ZnO晶体沿[0001]方向生长的速度也相对增加，当沿[0001]方向生长的速度加快时，该生长面将消失，所以在ZnO纳米线的顶端形成针状形貌。
本发明方法的优点
本发明方法采用常见的化学气相沉积技术，不需要任何金属薄膜作催化剂，制备过程中通过调控生长温度制备出半径和长度均匀的高质量ZnO纳米针阵列。主要优点有：
1、由于在生长过程后期调整了生长温度，使得ZnO纳米线沿[0001]方向生长的速度加快，该生长面将消失，在ZnO纳米线的顶端形成针尖。ZnO纳米针尖的曲率半径极小，相比ZnO纳米线更具有优越的场发射性能，因此ZnO纳米针阵列在场发射应用方面更具有潜质。
2、生长过程中，只需要改变生长温度就能获得ZnO纳米针阵列，其操作简单可行。
3、在制备过程中不需要任何金属薄膜作催化剂，工艺简单。
附图说明
图1为本发明所得的在Si基片上生长的ZnO纳米针阵列的SEM图(生长过程中提高生长温度)；
图2为在Si基片上生长的ZnO纳米线阵列的SEM图(生长过程中未提高生长温度)。
实施例所得样品的检测
通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对实施例所得样品进行形貌和物相表征，结果表明ZnO纳米针阵列在硅基底上分布均匀而致密，直径为100nm左右，长度为3μm左右，形态均匀；ZnO纳米针在生长过程中具有高度的C轴取向，为六方纤锌矿晶体结构，结晶度高。
本发明通过变温处理所得的ZnO纳米针阵列样品与未经变温处理所得的ZnO纳米线阵列形貌的比较，再者差别特别显著。
两者的形貌完全不相同。本发明通过变温处理在Si基片上生长的一维ZnO纳米材料为纳米针阵列，而未通过变温处理在Si基片上生长的一维ZnO纳米材料为纳米线阵列。
具体实施方式
实施例1：
本发明中ZnO纳米针阵列是利用CVD系统制备的，炉管内分为源蒸发区和晶体生长区。
具体实施步骤如下：
(1)利用常规的化学清洗方法将Si基片表面清洗干净，本实施例选用的是分别用丙酮、酒精超洗5-10分钟两次，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层备用；
(2)将盛有纯度＞99.95％ZnO粉末的氧化铝舟放入管式炉中心的热蒸发位置；
(3)将清洗好的单晶Si基片放入管式炉中生长位置，基片表面向上；
(4)前期热蒸发沉积，以升温率25℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1350℃，炉管内保持在200-300Torr的真空度，从炉管一端向另一端传输气体为Ar气，流量为35sccm，持续时间25分钟；
(5)后期热蒸发沉积，以升温率25℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1450℃，炉管内保持在200Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为35sccm，持续时间5分钟，即完成ZnO纳米针阵列的制备。
实施例2：
本发明中ZnO纳米针阵列是利用CVD系统制备的，炉管内分为源蒸发区和晶体生长区。
具体实施步骤如下：
(1)利用常规的化学清洗方法将Si基片表面清洗干净，本实施例选用的是分别用丙酮、酒精超声波洗5-10分钟两次，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层备用；
(2)将盛有纯度＞99.95％ZnO粉末的氧化铝舟放入管式炉中心的热蒸发位置；
(3)将清洗好的单晶Si基片放入管式炉中生长位置，基片表面向上；
(4)前期热蒸发沉积，以升温率20℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1340℃，炉管内保持在200-300Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为37sccm，持续时间30分钟；
(5)后期热蒸发沉积，以升温率20℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1430℃，炉管内保持在250Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为38sccm，持续时间6分钟，即完成ZnO纳米针阵列的制备。
实施例3：
本发明中ZnO纳米针阵列是利用CVD系统制备的，炉管内分为源蒸发区和晶体生长区。
具体实施步骤如下：
(1)利用常规的化学清洗方法将Si基片表面清洗干净，本实施例选用的是分别以丙酮、酒精超声波洗5-10分钟两次，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层备用；
(2)将盛有纯度＞99.95％ZnO粉末的氧化铝舟放入管式炉中心的热蒸发位置；
(3)将清洗好的单晶Si基片放入管式炉中生长位置，基片表面向上；
(4)前期热蒸发沉积，以升温率23℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1360℃，炉管内保持在200-300Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为40sccm，持续时间28分钟；
(5)后期热蒸发沉积，以升温率23℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1460℃，炉管内保持在300Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为40sccm，持续时间8分钟，即完成ZnO纳米针阵列的制备。

Claims (1)

1.一种制备ZnO纳米针阵列的方法，按下列步骤进行：
(a)利用化学清洗方法将Si基片表面清洗干净，并利用氢氟酸刻蚀法去除其表面的氧化层，备用；
(b)将盛有高纯度＞99.95％ZnO粉末的氧化铝舟放入管式炉中心的热蒸发位置；
(c)将清洗好的单晶Si基片放入管式炉中生长位置，基片表面向上；
(d)前期热蒸发沉积，和后期热蒸发沉积，其特征在于：前期热蒸发以升温率20-25℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1340-1360℃，炉管内保持在200-300Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为35-40sccm，持续时间25-30分钟；
(e)再行后期热蒸发沉积，后期热蒸发沉积以升温率20-25℃/min的速度将管式炉中的蒸发区温度上升到1430-1460℃，炉管内保持在200-300Torr的真空度，传输气体为Ar气，流量为35-40sccm，持续时间5-8分钟，即完成ZnO纳米针阵列的制备。
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