專利名稱：一種自催化生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)的氣相沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用VLS技術(shù)在GaAs襯底上自催化制備ZnO納米棒，屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
ZnO室溫下的帶隙寬度為3. 37eV，激子結(jié)合能高達(dá)60meV，是一種重要的半導(dǎo)體材料。此外由于其一維結(jié)構(gòu)材料如納米線、納米管等具有大的比表面積、良好的晶體質(zhì)量、量子尺寸效應(yīng)及壓電效應(yīng)等特殊性質(zhì)使得其在光電子領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。許多新技術(shù)新方法已被用于制備ZnO —維納米結(jié)構(gòu)如激光脈沖沉積方法、模板輔助法、化學(xué)氣相沉積法等。在諸多制備技術(shù)中“氣-液-固”(Vapor-Liquid-Solid，VLQ生長(zhǎng)機(jī)制被認(rèn)為是一種有效的控制納米線生長(zhǎng)的方法。二十世紀(jì)60年代，Wagner等人發(fā)展了這種方法制備了微米晶須?，F(xiàn)今，LiebenYang等人進(jìn)一步發(fā)展了化學(xué)氣相沉積法VLS機(jī)制，制備出II-VI 族化合物III-V族化合物以及氧化物一維納米線材料。但是這些納米材料制備的顯著特征在于必須采用金屬粒子作為反應(yīng)催化劑。反應(yīng)過程中，反應(yīng)物先在“催化劑”液滴中發(fā)生反應(yīng)，其生成物在“催化劑”液滴中達(dá)到過飽和， 后續(xù)生長(zhǎng)過程遵循VLS機(jī)制。Au, Pt等多種金屬均可作為催化劑，然后實(shí)際生長(zhǎng)過程中，均需要采用熱蒸發(fā)、濺射等方式在襯底表面先獲得催化劑薄層，這樣就使得操作復(fù)雜，形成應(yīng)用材料的浪費(fèi)，也造成了環(huán)境的污染。因此尋求更為簡(jiǎn)單有效且基于VLS生長(zhǎng)機(jī)理的制備納米結(jié)構(gòu)的新方法具
有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)中提出的問題，本發(fā)明提出一種基于VLS生長(zhǎng)機(jī)理的自催化生長(zhǎng) ZnO納米結(jié)構(gòu)的氣相沉積方法。首先待CVD反應(yīng)室溫度升到xx°C后，將GaAs襯底通入反應(yīng)室中，由于GaAs襯底中( 和As的蒸汽壓不同，因此在此刻的溫度下，As會(huì)逐漸析出并以氣體形式排出，GaAs襯底表面則形成( 單質(zhì)層。之后提高反應(yīng)溫度，由于( 的熔點(diǎn)很低，繼而在GaAs襯底上液化成核形成( 的納米粒子，此時(shí)( 的納米粒子即可作為催化劑顆粒。 最后通入的Si源( 單質(zhì)源或ZnO與碳粉的混合粉末)和0源，由于受到高溫而獲得Si 蒸汽，Zn蒸汽被摻入02與Ar氣的混合氣體傳輸?shù)紾aAs襯底處，與襯底表面的( 催化劑顆粒反應(yīng)，Si不斷的被吸附到^1-( 合金的表面，Si過飽和后就會(huì)從合金中析出，因?yàn)楹辖鹩泻軓?qiáng)的抗氧化能力，因此可以認(rèn)為，0不會(huì)被合金液滴所吸附，而是可以實(shí)現(xiàn)在GaAs襯底上自催化生成ZnO納米結(jié)構(gòu)。從而等合金液滴中Si被析出后和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成&ι0， 最終Si-ZnO界面上通過自組織有序化過程外延形成單晶納米棒得到更純的材料。最終獲得制備的納米ZnO具有的更好的生長(zhǎng)取向。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一(1)采用GaAs作為生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)的襯底。(2)所用的源是Si粉，把Si粉放在石英舟內(nèi)，并在反應(yīng)源下方放置GaAs襯底，襯底與源距離約為4mm，使二者之間具有一定的溫度梯度以便產(chǎn)物沉積在襯底上。(3)打開真空泵將管式爐抽真空至2mbar。(4)將石英舟放置在雙溫區(qū)管式爐高溫區(qū)進(jìn)行加熱。爐子的溫度達(dá)到700°C，升溫速率為50°C /分鐘。(5)通入摻 5% 02 的 Ar 氣。(6)生長(zhǎng)完成后，樣品自然冷卻至室溫后取出，得到ZnO納米結(jié)構(gòu)材料。實(shí)施例二(1)采用GaAs作為生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)的襯底。(2)將Si粉或一定比例的ZnO與C粉的混合物(1 1-1 5)作為反應(yīng)源，將源置于石英舟內(nèi)，將石英舟放置在雙溫區(qū)管式爐中間并在反應(yīng)源下方放置GaA襯底。(3)抽石英管中的真空(10_3-2mbar)(4)開始以50°C /分鐘的速度將爐子加熱到800°C。(5)向體系中通入摻入02與氬氣的混合氣體(0. 5% -10% ),并控制氣體流量。(6)生長(zhǎng)完成后將樣品自然冷卻至室溫后取出。得到ZnO納米結(jié)構(gòu)樣品。實(shí)施例三(1)采用GaAs作為生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)的襯底。(2)所用的源是Si粉，把Si粉放在石英舟內(nèi)，并在反應(yīng)源下方放置GaAs襯底，襯底與源距離約為4mm，使二者之間具有一定的溫度梯度以便產(chǎn)物沉積在襯底上。(3)打開真空泵將管式爐抽真空至2mbar。(4)將石英舟放置在雙溫區(qū)管式爐高溫區(qū)進(jìn)行加熱。爐子的溫度達(dá)到900°C，升溫速率為50°C /分鐘。(5)通入摻 5 % 02 的 Ar 氣。(6)生長(zhǎng)完成后，樣品自然冷卻至室溫后取出，得到ZnO納米結(jié)構(gòu)材料。
權(quán)利要求
1.在GaAs襯底上自催化制備ZnO納米結(jié)構(gòu)，其特征在于1)利用VLS生長(zhǎng)機(jī)理，采用GaAs作為生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)的襯底，將Si粉或一定比例的ZnO與C粉的混合物作為反應(yīng)源，把GaAs薄膜和源分別放在兩個(gè)石英舟中，放進(jìn)雙溫區(qū)管式爐的高溫區(qū)，源下方放置GaAs襯底，襯底與源距離約為4mm。抽石英管中的真空 (10-3-2mbar)，以一定的速度將爐子高溫加熱到生長(zhǎng)溫度。2)由于GaAs襯底中( 和As的蒸汽壓不同，因此在生長(zhǎng)溫度下，As會(huì)逐漸析出并以氣體形式排出，GaAs襯底表面則形成( 單質(zhì)層，以此作為金屬催化劑顆粒。3)通入摻5%O2的Ar氣，由于受到高溫而獲得的Si蒸汽被傳輸?shù)紾aAs襯底處，與襯底表面的( 催化劑顆粒反應(yīng)。4)生長(zhǎng)完成后將樣品自然冷卻至室溫后取出，得到ZnO納米結(jié)構(gòu)樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于ZnO與C粉的混合物的比例是 (1 1-1 5)，且確保通入摻5% O2 WAr氣作為載氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于爐子加熱至生長(zhǎng)溫度(600-120(TC) 升溫速率為50°C/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于VLS生長(zhǎng)機(jī)理的自催化生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)的氣相沉積方法。襯底材料為GaAs。由于Ga和As的蒸汽壓不同，GaAs襯底上表層的As會(huì)先于Ga脫離襯底。As排出后留下低熔點(diǎn)的Ga，當(dāng)反應(yīng)體系溫度繼續(xù)升高時(shí)，在GaAs襯底上的Ga便液化成核形成Ga的納米粒子，并作為生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)所需的金屬催化劑。最后加入Zn粉，高溫下Zn蒸汽被摻入5％O2的Ar氣傳輸?shù)紾aAs襯底上，與襯底表面的Ga催化劑反應(yīng)形成Zn-Ga合金，等合金液滴中Zn被析出后和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成ZnO，最終在Zn-ZnO界面上通過自組織有序化過程外延形成單晶納米結(jié)構(gòu)。該方法具有制備成本低、操作靈活、簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01G9/03GK102275978SQ20111013807
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者方芳, 方鉉, 李金華, 杜鴻延, 王曉華, 王菲, 譚學(xué)壘, 韓作良, 魏志鵬 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)