CN103484835A - 多喷射缝式燃烧器及用于在基板上沉积材料的装置 - Google Patents

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Abstract

多喷射缝式燃烧器及用于在基板上沉积材料的装置。本发明公开了用于在基板上沉积导电材料的工艺，包括：燃烧预混合的燃料和氧化剂以形成贴着移动的物体或基板的滞止火焰，该移动的物体或基板稳定滞止火焰；以及将至少一种前体引入到火焰以在基板上形成导电材料。

Description

多喷射缝式燃烧器及用于在基板上沉积材料的装置
本申请是申请日为2009年3月16日、申请号为200980114008.8（国际申请号为PCT/US2009/037282）、发明名称为“制备导电材料的方法及包括导电材料的器件”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及用于在基板上形成诸如透明导电氧化物的导电材料的装置、工艺以及这种材料在器件中的用途。
背景技术
诸如超导材料和透明导电材料的导电材料具有非常广泛的应用。例如，透明导电氧化物（TCO）膜对于诸如蜂窝电话、个人数字助理、平板显示器、等离子体屏幕、计算机以及诸如ATM机的各种触摸面板器件的光显示器件很有用。TCO也用于光伏学中，诸如薄膜太阳能电池、液晶显示器、发光二极管以及抗静电和防雾涂层及EMI屏蔽体。
在基板上沉积膜的各种方法是已知的，包括溅射技术、化学气相沉积（CVD）、喷雾热解、燃烧化学气相沉积（CCVD）以及脉冲激光沉积。在一些情形中，由这些方法生成的膜是导电的和/或透明的。
在冷基板上沉积晶体薄膜最常用的技术是溅射。尽管不同的膜需要不同的溅射条件，但是用于沉积透明导电氧化物（包括掺杂锡的铟氧化物（ITO）和掺杂铝的氧化锌（AZO或ZnO:Al））的各种技术已经被公开。参见，例如，美国专利7,309,405；美国专利5,458,753；日本经审查的专利公布No.72011/1991；Minami,Nanto,&Takata"Highlyconductive and transparent ZnO thin films prepared by RF magnetronsputtering in an applied external DC magnetic-field",Thin Solid Films,1985,124,43-47。溅射涂覆基板的技术几乎全都要求密封的真空室，且因而作为批处理来实施。因此，这样很难大规模生产。
CVD方法通常也需要低压或密封室，因而使得这些技术较不利于薄膜的大规模生产。但是，Hu和Gordon报告了在大气压力下气相沉积二乙基锌、三乙基铝和乙醇的加热混合物来生产AZO膜。Hu&Gordon,"Textured aluminum-doped zinc oxide thin-films fromatmospheric-pressure chemical-vapor deposition"J.of App.Phys.,1992,71,880-890。在367℃和444℃之间的高基板温度记录了满意的结果。高基板温度被认为使得能够发生表面重排列反应以促进沉积膜的合理的结晶度。
喷雾热解和CCVD都涉及通过燃烧分子前体或分子簇而沉积为晶体膜，且这两种技术都可以在大气压力下使用来形成薄膜。这两种技术一般都需要约450℃的基板温度。Kaid&Ashour（"Preparation ofZnO-doped Al by spray pyrolysis technique",Applied Surface Science,2007,253,3029-3033）证明了通过在加热到450℃的最佳温度的静态基板上喷雾热解硝酸铵和醋酸锌来制造AZO膜。美国专利6,013,318公开了CCVD制造薄膜的应用，由此燃烧燃料、氧化剂和前体气体或液体产生沉积到邻近基板上的气相化合物。该公开涉及扩散火焰，即当燃料和氧化剂被分开注入并在火焰前沿附近相遇时形成的火焰。此外，Zhao等人（"Transparent Conducting ZnO:Al Films via CCVD for AmorphousSilicon Solar Cells",preprint,29th IEEE PVSC,New Orleans,2002年5月）公开了一种露天CCVD工艺，在该工艺中，ZnO:Al膜在火焰上沉积到热的硼硅酸盐玻璃基板上。金属前体通过氧流被输送到火焰中。
另一公开的意图在沉积过程中保持基板冷却的技术是脉冲激光沉积（美国专利6,818,924），其中基板放置在体材料附近，随后用脉冲激光辐照体材料。材料从靶蒸发到基板上，从而保持基板冷却。该技术类似于溅射，因为待沉积的材料需要在还原气氛中蒸发。
已报告了通过滞止火焰制备颗粒涂层（即，二氧化钛颗粒涂层）的工艺（参见，例如McCormick等人，"Thermal Stability of FlameSynthesized Anatase TiO2Nanoparticles",J.Phys.Chem.B,2004,108,17398-17402；以及Zhao等人，"Ultrafine Anatase TiO2NanoparticlesProduced in Premixed Ethylene Stagnation Flame at1Atmosphere",Proc.Combustion Institute,2005,30,2569-2576）。这些文献描述了在静止稳定的板下方短距离形成滞止火焰并将二氧化钛颗粒收集到移入和移出火焰的基板上。这些文献没有公开贴着可移动的稳定的板产生滞止火焰。
尽管公开了在基板上形成导电材料，但是仍希望提供能够在基板上形成导电材料的装置和工艺。进一步希望提供能够在连续工艺中在缓和条件以及低基板温度下在基板上形成导电材料的工艺。还希望提供能够在宽的表面区域上形成导电材料的高度均匀的膜的工艺。
发明内容
本公开的优点包括用于在基板上形成导电材料的装置和方法。有利地，本公开的方法能够在连续工艺中以低基板温度在基板上形成导电材料，但是其不限于此。
这些和其他优势至少部分地由一种在基板上形成导电材料（例如，透明导电氧化物）的工艺来实现。该工艺包括：燃烧预混合的燃料和氧化剂以贴着基板形成滞止火焰来稳定滞止火焰，以及将至少一种前体引到火焰以在基板上形成导电材料。
本公开的实施方式包括燃烧预混合的燃料/氧化剂，例如预混合的烃/氧，以通过一个或多个燃烧器形成一个或多个滞止火焰，以及贴着一个或多个火焰移动基板，以在距基板短距离处形成/稳定一个或多个火焰。基板能够通过移动的物体来保持，该移动的物体使基板能够贴着火焰重复地移动来在基板上沉积导电材料。将一种或多种前体引入一个或多个滞止火焰以在基板上形成导电材料。
另外的实施方式包括将燃料和氧化剂引导通过具有多于一个喷嘴的燃烧器以及将前体引导通过燃烧器的不同喷嘴。
在本公开的一方面，该工艺包括通过燃烧预混合的燃料和氧化剂以贴着基板（例如，移动的基板）形成滞止火焰来稳定滞止火焰而在基板上形成透明导电氧化物（TCO），以及将至少一种TCO形成前体（如铝、锡、锌和/或基于铟的前体）引入火焰以在基板上形成TCO。实施方式包括在基板上形成掺杂铝的氧化锌和/或铟锡氧化物TCO膜。
本公开的另一方面包括多喷射缝式燃烧器和用于形成一个或多个滞止火焰的装置。该装置包括用于形成矩形滞止火焰的多喷射缝式燃烧器，该燃烧器包括与狭缝形状的第一喷嘴流体连通以使可燃烧气体通过喷嘴流动和燃烧的第一端口、与邻近第一喷嘴的狭缝形状的第二喷嘴流体连通以用于将一种或多种前体引入由通过第一喷嘴的可燃烧气体的燃烧所产生的火焰的第二端口。燃烧器可具有另外的喷嘴以将另外的组分引入到气体或前体，例如另外的前体或另外的可燃烧气体，或用于添加惰性气体。在装置中使用基板来稳定由通过第一喷嘴的气体的燃烧形成的滞止。
本公开的另一方面为包括具有由滞止火焰产生的导电材料的基板的器件，诸如光电器件。
本领域技术人员从以下详述将易于明白本发明的另外的优势，其中仅通过实现本发明所考虑的最佳模式的图示示出并说明了本发明的优选实施方式。如将认识到的，本发明可以为其他和不同的实施方式，且其各种细节能够在各种明显的方面进行修改，所有都不偏离本发明。因而，附图和说明被认为实际上是示例性的且不作为限制。
附图说明
参考附图，其中具有相同附图标记的元件代表相同的元件，且在附图中：
图1是能够用于利用滞止火焰在基板上形成导电材料的燃烧器布置的示意图。
图2是能够用于利用圆的预混合的滞止火焰在基板上形成导电材料的燃烧器布置的示意图。
图3是能够用于利用矩形的预混合的滞止火焰在基板上形成导电材料的多喷射缝式燃烧器布置的示意图。
图4是图3的多喷射缝式燃烧器的侧视图的示意图。
图5是利用了能够用于在基板上形成导电材料和另外的材料的一系列燃烧器的燃烧器布置的示意图。
具体实施方式
本公开涉及在基板上制备导电材料。导电材料能够以涂层或膜的形式或任何其他形式沉积到基板上。利用滞止火焰将导电材料沉积到基板上。滞止火焰能够通过使离开燃烧器的燃烧气体流转向并随后通过贴着稳定表面的火焰扩张而稳定成薄火焰片来建立。如此处使用的，术语“贴着”在稳定滞止火焰的情况下指的是火焰和稳定表面处于表面将火焰稳定成滞止火焰这样的距离。一般地，火焰处于离开表面的短距离处，但是术语“贴着”不排除或需要火焰接触稳定表面。稳定表面可以是物体的表面或基板自身的表面。通过将至少一种前体引入火焰，然后通过火焰加热、氧化和/或以其他方式转换以形成随后沉积到基板的表面上的材料来实现导电材料的沉积。应相信，通过材料的流冲击、扩散和/或热迁移进行了导电材料的沉积，该材料可以为分子簇或纳米微粒的形式，由离开火焰到达基板的表面的加热、氧化和/或以其他方式转换的前体而产生。
滞止火焰有利地不需要火苗。因此，滞止火焰也被称为滞止点火焰，其与任何固体表面分离，因为火焰稳定主要通过流辐散而不是燃烧器或基板表面的传导热损失。它们能够通过预混合氧化剂与燃料并使该流在可燃烧组分到达火焰前沿之前通过燃烧器喷射而形成。如果局部轴向流速等于火焰速度，则能够实现垂直于流方向的静止的平火焰前沿。该条件产生薄的火焰前沿，因为所有的反应物容易获取。
与喷射或扩散火焰不同，滞止火焰有利地具有高度均匀性和大体薄的轮廓或厚度，这使得能够较高程度地控制引入火焰的任何前体的加热和/或燃烧。进一步能够在宽的表面区域上形成滞止火焰。此外，引入预混合的火焰的前体经历短停留时间，这允许有限的分子大小成长和前体材料的分子或簇大小的窄分布。火焰的高均匀性有利于引入火焰的任何前体的均匀处理，且允许在大表面区域上的均匀沉积。
相比之下，扩散火焰为这样的火焰，在该火焰中，氧化剂在燃烧过程中通过扩散而与燃料组合。结果，扩散速率限制了燃料燃烧速率。燃烧烃的扩散火焰往往会产生煤烟，因为可能没有足够的氧化剂来使反应彻底，但是也有一些例外。扩散火焰往往没有局部的火焰前沿。
扩散火焰和滞止火焰之间的差别很大，当应用于沉积材料时尤其如此。滞止火焰相对较薄，且其位置相对于基板可调节。这导致对火焰的明显更好的控制，而且对由火焰形成的分子前体或前体簇也有很好的控制。与扩散火焰不同，基板在滞止火焰上方移动而不显著地影响火焰。基板的移动有利地允许基板由对流而保持冷却，且允许以均匀的方式和连续的工艺沉积材料，该工艺能够容易与其他处理步骤相组合。此外，不需要异质的表面反应来用滞止火焰实现高度结晶的薄膜。
滞止火焰已经被分析用于火焰速度测量，且用于稳定这种火焰的机制是已知的。参见例如Powling,Fuel,1949,volume28,pp.25-28；Egerton,Proceedings of The Royal Society A,1952,volume211,pp.445-471；Biedler等人，Jet Propulsion1957,volume27,pp.1257-1260。关于预混合的滞止火焰的性能和形成的另外的参考内容能够在Law,Combustion Physics,Cambridge Press,2006中找到。但是，认为，不期望滞止火焰用来在基板上形成导电材料。
在实践本公开的一方面时，滞止火焰由预混合的燃料和氧化剂的燃烧（例如，点燃和/或燃烧）来形成。能够使用任何可燃烧燃料和氧化剂来形成火焰。例如，燃料能够为任何可燃烧的组分，诸如一种或多种烃，其包括但不限于：链烷，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷等；烯烃，例如乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等；炔，例如乙炔、丙炔等；芳香烃，例如苯、甲苯、二甲苯；非烃，如氢、一氧化碳等。氧化剂可以为氧化燃料以形成滞止火焰的任何成分，并且包括但不限于氧、空气等。
滞止火焰能够由将沉积导电材料的基板来稳定，或由保持基板的另一物体来稳定。在本公开的一个实施方式中，火焰通过移动的基板或物体来稳定。应理解，尽管滞止火焰能够贴着固定的基板形成，但是意外地发现滞止火焰也能够贴着移动的稳定表面（即，物体或基板的表面）来形成。用可移动的稳定器表面形成滞止火焰有利地允许连续制造工艺。如此处所使用的，术语移动、可移动的、平移的或关于稳定滞止火焰所用的基板或物体的移动的其他术语指相对于火焰移动以形成滞止火焰的基板或物体。也能够利用固定的基板在基板上形成导电材料。但是，在该条件下，基板需要被冷却以使其不达到对导电材料或基板不利的温度，且基板的选择优选地限于能够承受这种工艺的温度的基板。
当利用滞止火焰在基板上形成导电材料时能够使用任何基板。有用的基板不限于任何特定材料或设计，只要其能够用于滞止火焰。有利地，基板不需要是平的，因为滞止火焰能够在一定范围内符合基板的表面轮廓。优选地，基板或其表面具有足够高的玻璃转变温度，该温度高到足以承受在基板上形成导电材料的过程中的明显的变形。暴露于滞止火焰的基板或其表面所经历的温度将取决于诸如燃料、氧化剂、前体、其各自的供给速率、基板贴着火焰的移动速率等的参数。在本公开的一方面，在基板上形成导电材料的过程中，基板的温度维持在不高于约300℃，例如不高于约200℃，以及不高于约150℃，例如不高于约125℃。合适的基板包括由以下材料制成的基板：金属，诸如基于铁的金属、铝等；陶瓷；半导体，诸如基于镓或硅的材料；塑料，诸如聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚亚安酯、聚丙烯酸酯、基于聚烯烃的塑料、氟化聚合物、多聚糖、聚炔；等等。在本公开的一个方面，基板由透明塑料制成。例如，能够使用透明基板，例如但不限于：聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、Teflon-PFA、SUPRADELTM HTS、各种其他聚砜、聚醚砜、各种类型的玻璃，诸如硼硅玻璃、钠钙玻璃、石英等以及其他各种类型的透明材料。在本公开的一个方面，基板包括透明材料，且具有超过约125℃的玻璃转变温度。
在本公开中能够使用任何前体，只要该前体能够在单独或与其他前体和/或一种或多种掺杂剂一起穿过滞止火焰之后形成导电材料。优选地，导电材料为产生小于1G欧姆/平方的薄层电阻的导电材料。本公开的导电材料能够具有小于1M欧姆/平方的薄层电阻，例如不大于约50k欧姆/平方，且更优选地小于约100欧姆/平方，例如小于约10欧姆/平方。能够用来通过滞止火焰形成导电材料的前体包括：有机金属化合物，诸如金属烷基，如烷基锌、二甲基锌、二乙基锌、三甲基锌、三乙基锌、烷基铝、三甲基铝、三乙基铝、烷基锌、四甲基锡、四乙基锡、二丁基锡、二甲基锡、2-乙基己酸亚锡、异丙氧基铟、醋酸铟等，金属卤化物，例如三氯化锡、四氯化锡、二甲基二氯化锡，金属氧化物，金属氢化物，金属氮化物，金属胺，以及无机化合物，稀土过渡金属前体，如基于金、铜和银的前体等。许多前体商业可得，而其他能够通过常规化学制备来制备。
在本公开的一个方面，通过将一种或多种前体引入滞止火焰来在基板上沉积导电材料。前体的选择和前体的质量比将决定沉积在基板上的材料。在本公开的一个方面，所述前体或多个前体选择成在基板上形成透明导电氧化物。合适的前体包括至少一种TCO形成前体，如基于铝、锡、锌和/或铟的前体。在本公开中能够使用另外的TCO形成前体，只要前体能够在单独或与其他前体和/或掺杂剂一起通过之后形成透明导电氧化物。能够形成到基板上的透明导电氧化物包括但不限于：氧化锡(SnO2)、铟锡氧化物(ITO)；氧化锌(ZnO)、掺杂铝的锌氧化物(AZO)；铟钼氧化物(In-Mo-O)；锑锡氧化物(ATO)；掺杂有各种其他元素诸如F、In、Ga、B、Si、Ge、Ti、Zr、Hf、Sc、Y等的ZnO。
在不需要形成导电材料的该工艺的其他方面能够使用其他前体。能够利用这些前体来在基板上形成另外的材料，诸如电子扩散或抗反射层，例如，在随后的工艺中，或者能够在基板上形成导电材料之前或期间利用这些前体。形成前体的不导电材料包括但不限于：四异丙氧基钛、硅烷等。
鉴于本公开的指导，本领域技术人员能够选择合适的参数来最优化利用滞止火焰在基板上产生形成的导电材料的性能。例如，利用滞止火焰产生的导电材料的性能受多个因素影响，包括：前体的选择、前体浓度（其能够由前体供给速率控制）、火焰温度（其能够由预混合的燃料-氧化剂混合物的组分控制）以及前体停留时间（其能够由预混合的燃料-氧化剂混合物的供给速率控制）。认为，前体的供给速率能够影响离开火焰的材料的大小。此外，可燃烧气体的供给速率能够影响滞止火焰相对于基板的位置，燃料与氧化剂的比率能够影响火焰温度，而基板移动的速度或速率能够影响基板的温度且某种程度上影响前体沉积到基板上之前的前体材料的性能。
通过滞止火焰沉积导电材料能够被最优化以形成晶粒以及在沉积的导电材料中的各种尺寸和形态，这则影响沉积的材料的化学、光学和电性能。例如，滞止火焰能够产生由具有可再生的且窄的尺寸分布和高的结晶含量的金属和/或金属氧化物组成的微粒。这些性能有利于形成具有良好的催化和光催化性能的材料，而同时在长时间过去之后保留化学和热稳定。
在本公开的实施方式中，在露天的气氛条件下形成滞止火焰。露天指不存在包围该过程的封闭物。此外，火焰不经受真空或压力，而是在产生火焰的地点可利用的大气压力下产生。在本公开的另一实施方式中，在封闭环境下形成滞止火焰。该火焰可经受真空或压力以及氧化、还原或惰性气体环境。例如，能够在约1托至10,000托，例如在1托至1500托的压力下形成滞止火焰。
在本公开的一方面，形成在基板上的导电材料具有小于约100欧姆/平方的薄层电阻，例如小于约15欧姆/平方的薄层电阻。通过选择合适的参数，能够在每小时约0.01微米至每小时约1000微米的速率下在基板上沉积导电膜。在基板上沉积导电材料能够在0.001微米至约1000微米或更多的厚度下进行。在本公开的一方面中，在基板上形成了具有在不小于约50%的可见光区域的平均透光性的TCO膜，例如在不小于70%或90%的可见光区域的平均透光性。常规上，能够利用4点探针（例如，具有SRM232探针的Jandel HM21量表，从Bridge Technology可得）来测量薄层电阻，且可以利用常规的UV-vis吸收光谱分析仪来测量透光率。
本公开的另一方面包括用于形成一个或多个滞止火焰的装置和燃烧器。该装置包括用于产生滞止火焰的燃烧器，燃烧器具有与喷嘴流体连通以允许可燃烧气体通过喷嘴的流动和燃烧的至少一个端口。该端口还可允许将前体引入到喷嘴，或者燃烧器能够具有允许另外地引入前体和其他组分（诸如另外的可燃烧气体、惰性气体等）的另外的端口和喷嘴。例如，公开了形成矩形滞止火焰的多喷射缝式燃烧器。多喷射燃烧器包括与狭缝形状的第一喷嘴流体连通以允许可燃烧气体通过喷嘴的流动和燃烧的第一端口、与邻近第一喷嘴的狭缝形状的第二喷嘴流体连通以将一种或多种前体引入由通过第一喷嘴的可燃烧气体的燃烧所产生的火焰的第二端口。该多喷射缝式燃烧器能够进一步包括第三端口，该第三端口与邻近狭缝形状的第二喷嘴的第三喷嘴流体连通，以允许将另外的组分引入气体或前体。用于在基板上沉积材料的装置能够包括多喷射缝式燃烧器以及用于稳定由通过第一喷嘴的气体的燃烧形成的滞止火焰的基板。
图1示出利用了滞止火焰的燃烧器布置。如所示出的，火焰100不附着于燃烧器102。燃烧器上的喷嘴不限于任何特定的设计。例如，燃烧器上的喷嘴可以为管或狭缝或能够允许可燃烧气体流过喷嘴以形成滞止火焰的任何几何结构。喷嘴的形状影响滞止火焰的形状。例如，如果喷嘴为矩形或圆形，则滞止火焰能够被形成为具有矩形或圆形几何形状的层。滞止火焰100为由于流辐散而存在的独立式火焰，如辐散流动流104所示，其允许轴向流速达到在垂直于该流的特定平面上的预混合的燃料-氧化剂混合物的火焰速度，其中火焰能够建立。火焰相对于基板106的位置能够由改变通过燃烧器的燃料-氧化剂混合物110的流速108来调节。在该示例中，前体与燃料-氧化剂混合物一起传送到火焰。由惰性气体114（如氮气或氩气）形成的共环式鞘流112可被喷射以保护可燃烧的和燃烧的气体不受周围空气影响并保持流场均匀。
图1还示出当稳定的表面116为移动的基板106的一部分时，通过保持燃烧器不动，稳定的表面116可由于其相对于基板上方的环境空气的移动而被对流地冷却。在火焰片中的约4m/s的速度和2000℃的气体温度下，基板的温度通常能够保持低至125℃。这有利地允许利用具有低玻璃转变温度的基板，导电材料能够沉积到该基板上。这些低温基板包括具有125℃以上的玻璃转变温度的透明聚合物膜，例如聚碳酸酯和Teflon-PFA以及纳米聚合物材料，例如玻璃。甚至可通过增加基板移动速度和/或通过将贴着基板的火焰的温度或火焰距离来利用具有较低的玻璃转变温度的基板。
在本公开的一个实施方式中，图2示出装置200，该装置200被设计成产生贴着移动的稳定器表面204的圆形滞止火焰202。该稳定器表面能够为沉积导电材料的基板，或其能够是保持基板的移动表面。在该实施方式中，稳定器板204保持基板206。如图2所示，燃料208、氧化剂210和惰性气体212在流混合器214中混合，且被引入管状燃烧器216。惰性气体能够为不干扰燃料的燃烧的任何气体，例如氮气或氩气。预混合的可燃烧燃料被点燃以形成滞止的不附着的火焰202。前体218（在该示例中，前体为液体）通过混合器214引入火焰，在混合器214中，前体蒸发并与燃料-氧化剂-惰性气体混合。能够利用液体泵220来控制引入到火焰的前体218的量。
在本公开的另一个实施方式中，图3示出被设计成贴着表面，例如移动的稳定器表面304产生矩形滞止火焰302的装置300。稳定器表面可以是沉积导电材料的基板，或者其可以是保持基板的传送带或旋转鼓。在该示例中，基板306附着于片304，且基板306和片304都在稳定地贴着基板306的火焰上移动。矩形火焰的益处包括能够增加滞止火焰片的长度（如，大于1米），同时保持火焰片的宽度恒定。这允许涂覆更大的基板而不改变火焰结构和稳定性。如图3所示，预混合的燃料-氧化剂-惰性混合物308被引入到多喷射缝式燃烧器312的中心狭缝310。前体314通过狭缝316A和316B被带到燃烧器。另一燃料-氧化剂-惰性混合物流318能够被引入到燃烧器312并通过狭缝320A和320B喷射。因而，前体可以由惰性气体携带到火焰，且保持与燃料和氧化剂分离，直到其从狭缝喷出。这允许更好地控制前体输送，且当一种或多种前体能够与燃料或氧化剂反应时是有利的。在该情形，前体流夹在两种燃料-氧化剂流之间，以便确保所有前体都通过火焰。由惰性气体组成的鞘流322被引入并且喷射通过狭缝324A和324B。前体和燃料-氧化剂-惰性流在其流出缝式燃烧器时被混合。预混合的可燃烧燃料被点燃以形成滞止的、未附着的火焰302。
在本公开的一个方面中，能够利用具有多喷射缝式喷嘴的燃烧器来形成预混合的滞止火焰，如图3所示的装置300。多喷射缝式喷嘴的侧视图也在图4中示出。
图5是利用多个燃烧器的燃烧器布置的示意图，该燃烧器能够用于在基板上形成一种或多种导电材料和另外的材料。每个燃烧器能够配置成燃烧一种或多种预混合的燃料和氧化剂以贴着移动的物体或基板形成多于一个滞止火焰来稳定多于一个滞止火焰。在该示例中，燃烧器502为空气动力学形状的狭缝，但是可利用任何一种或多种燃烧器构造。例如，滞止火焰能够通过适当形状的燃烧器形成，例如空气动力学喷嘴、管状或缝式燃烧器。每个燃烧器用于形成滞止火焰（为了图示简单未示出），而滞止火焰能够通过保持基板的物体或基板自身来稳定。在该示例中，基板稳定多个滞止火焰并且是长片504的形式，但是能够使用其他物体和基板形式，取决于燃烧器的定位，例如盘能够与设置成圆形的多个燃烧器一起使用。基板可由包括透明材料，如透明玻璃或塑料材料的任何材料制成。如图5所示，基板504通过旋转鼓506在燃烧器上移动。根据基板在燃烧器上的速度和其他因素，鼓能够是冷的，这能够通过空气或其他方式进行。插图508示出直接在三个燃烧器上的三个鼓，其中有基板。尽管具有直接在燃烧器上的或多或少的鼓可能是有利的，例如用于辅助冷却基板，但是鼓不需要这样被定位。在燃烧器上可以有一些鼓或没有鼓。
图5的布置提供了许多优点。通过利用多个燃烧器，基板温度能够通过贴着多火焰、以较快速度移动基板使得不需要通过单个燃烧器来维持在基板上沉积导电材料的相同速率来维持低温。利用多个燃烧器也允许在基板上较快速地沉积导电材料。此外，利用多个燃烧器，每个燃烧器和滞止火焰能够单独配置成在移动的基板上沉积导电材料或不导电材料。每个燃烧器能够单独地配置成在移动的基板上产生任何滞止火焰以及产生相同的或不同的材料（导电或不导电）。
在公开的实施方式中，能够通过滞止火焰在透明基板上形成透明导电氧化物（TCO）（诸如AZO或ITO）。TCO能够作为由贴着火焰间歇地但连续地移动基板而沉积的薄膜形成。优选地，基板由能够承受在不超过约200℃，例如不超过约125℃的温度下的显著变形的材料制成。火焰能够通过可燃烧气体（如乙烯、氧和氩的混合物）流过空气动力学喷嘴或缝式燃烧器来建立以及通过在可移动的稳定器表面下面的火焰扩张而稳定成薄片。通过将合适的TCO形成前体引入火焰以形成TCO膜来实现薄沉积物。合适的前体的示例包括用于产生AZO膜的锌和铝前体和用于产生ITO膜的合适的铟和锡前体。膜沉积物被认为由金属和金属氧化物蒸汽的流冲击和扩散以及从火焰片到移动表面的金属氧化物簇或纳米微粒的热迁移来驱动。
实施例
以下的实施例旨在进一步示出本发明的某些优选实施方式且本质上不是要限制。本领域技术人员将认识到或仅利用常规试验能够发现在此说明的具体物质和过程的许多等价形式。
燃烧器组件（如图2示意性示出的）利用具有1cm出口直径的空气动力学形状的喷嘴，以产生贴着12英寸直径的距喷嘴端口3.4cm间隔的钛盘的滞止火焰。所有测试在大气压力下进行。
预燃烧的混合物（例如，约5.1%的乙烯（C2H4）、约15.7%的氧（O2）和平衡氩（Ar）的预燃烧的混合物）的层流喷射在229cm/s的冷气体速度（STP）下流出。火焰在盘下面稳定约0.3cm。气体喷射和火焰由通过中心管流出的氩的屏蔽隔离。未燃烧的气体用质量流量控制器（Omega FMA1700-1800）单独计量，且在流入燃烧器喷嘴之前混合。
己烷中15%(wt)的二乙基锌（Alfa-Aesar Item#89038）和己烷中25%(wt)的三乙基铝（Alfa-Aesar Item#89054）以95%（体积）与5%（体积）的比例混合。通过注射泵以3ml/小时将液体混合物通过皮下注射针注入未燃烧的混合物（Genie Plus,Kent Scientific）。为了防止前体在线路中冷凝，将整个气体线路和燃烧器加热到70℃。在此条件下，二乙基锌和三乙基铝的局部压力基本上小于其饱和压力。
基板（钛盘）安装在精确步进电动机（Aerotech BM25OJUF）上，其能够以1弧秒的精确性到达期望位置。电动机速度在100至600RPM之间，并由BAI Intellidrive控制器来控制。电动机轴和气体喷射之间的中心-中心距离是12.1cm。在钛盘上加工一系列平坦的狭缝，从而允许安装多个颗粒膜沉积基板。当冷却的盘旋转时，基板重复地插入到火焰上且每次通过时，氧化锌和氧化铝蒸汽、簇和纳米微粒沉积到基板上。
利用圆喷射的典型的用于在预清洁的玻璃基板上形成AZO膜的操作条件，在工作台下面提供1cm喷射端口直径的预混合的滞止火焰（如图2示意性示出的）。移动的稳定器表面是1/4英寸厚的旋转的钛盘。玻璃或其他基板可以安装在盘下。未燃烧的预混合的气体包含5.1%C2H4-15.7%O2-Ar，且体积流率是10.79L/min。前体为己烷中的15%(wt)的二乙基锌和己烷中的25%(wt)的三乙基铝，以95%(vol)与5%(vol)的比例混合。基板温度约为120℃。
Figure BDA00003575330300151
在本公开的一方面，基板上所沉积的导电材料进一步形成为导电材料和不导电材料的图案。导电材料的构图能够通过在沉积不导电材料层之前沉积TCO层来形成。在本公开的实施方式中，构图的导电材料为诸如AZO或ITO的透明导电氧化物层以及诸如氧化钛或氧化钛纳米微粒的半导电材料膜。
光电器件/太阳能电池
在此说明的基板上的导电材料能够用于各种光电器件。例如，通过用具有由预混合的滞止火焰产生的导电材料的基板替换具有通常在这样的器件中使用的透明导电氧化物的基板，其上具有导电材料的基板能够用作用于液晶显示器、平板显示器、等离子体显示器、触摸板、发光二极管、抗静电涂层、射频和电磁屏蔽的透明导电膜。
在本公开的实施方式中，太阳能电池被组装，包括但不限于，在任何合适的透明基板上形成的TCO膜和纳米晶半导体膜。TCO膜（诸如AZO或ITO膜）能够用滞止火焰形成，并能够沉积在任何合适的透明基板上，例如透明玻璃或透明塑料膜，如塑性聚碳酸酯膜。也能够利用上述预混合的滞止火焰通过引入诸如四异丙氧基钛的适当前体来形成纳米晶体膜。
在本公开中，仅示出和说明了本发明的优选实施方式及其多功能性的几个示例。应理解，本发明能够利用各种其他组合和环境，并能够在此处所说明的发明概念的范围内进行改变或修改。例如，尽管优选实施方式被描述为适用于各种薄晶体膜的沉积，但是此处公开的工艺适用于沉积具有在从业者的技术内的细微修改的其他形式的导电材料。
本公开仅示出并说明了本发明的优选实施方式及其多功能性的示例。应理解，本发明能够利用各种其他组合和环境，且能够在此处所说明的发明概念的范围内进行改变或修改。因此，例如，本领域技术人员将认识到或利用常规试验能够确认此处描述的具体物质、过程和布置的许多等价形式。这样的等价形式被认为在本发明的范围内，且由所附权利要求涵盖。

Claims (3)

1.一种形成矩形滞止火焰的多喷射缝式燃烧器，包括：
第一端口，所述第一端口与狭缝形状的第一喷嘴流体连通，用于允许可燃烧气体通过所述喷嘴的流动和燃烧；
第二端口，所述第二端口与邻近所述第一喷嘴的狭缝形状的第二喷嘴流体连通，用于将一种或多种前体引入到由通过所述第一喷嘴的可燃烧气体产生的火焰。
2.如权利要求1所述的多喷射缝式燃烧器，还包括：
第三端口，所述第三端口与邻近狭缝形状的所述第二喷嘴的第三喷嘴流体连通，用于允许将另外的组分引入气体或前体。
3.一种用于在基板上沉积材料的装置，所述装置包括：
权利要求2所述的多喷射缝式燃烧器；以及
基板，所述基板用于稳定由通过所述第一喷嘴的气体的燃烧形成的滞止火焰。
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