專利名稱：一種密度可控氧化鋅納米線陣列的激光燒蝕生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧化鋅納米線材料的高壓激光燒蝕制備方法，尤其是實(shí)現(xiàn)了對(duì)納 米線陣列生長(zhǎng)密度的大范圍調(diào)控。
背景技術(shù)：
氧化鋅是一種新型的II VI族直接寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的光 學(xué)和電學(xué)特性，室溫下的帶隙為3. 37eV，激子束縛能為60meV，大于室溫下的熱離化能 (25meV)，具備了發(fā)射藍(lán)光或近紫外光的優(yōu)越條件，可開發(fā)出紫外、藍(lán)光、綠光等多種發(fā)光器 件。氧化鋅納米線由于具有獨(dú)特的尺寸、維度及新穎的物理性質(zhì)是人們研究的重點(diǎn)。在襯 底上生長(zhǎng)的氧化鋅納米線陣列，由于具有統(tǒng)一的生長(zhǎng)方向，可以用來組裝納米線激光器、場(chǎng) 發(fā)射平板顯示器及納米線發(fā)電機(jī)等。氧化鋅納米線陣列的制備方法可以分為液相法和氣相 法兩種。如在2008年12月10日公開的中國發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書CN 101319372A中 披露了 “一種低溫可控制備氧化鋅納米線的方法及其應(yīng)用”。它提供了 一種用預(yù)先沉積的氧 化鋅或者金屬鋅作為氧化鋅納米線生長(zhǎng)的種子，來實(shí)現(xiàn)氧化鋅納米線生長(zhǎng)密度的調(diào)控。但 是，這種制備方法存在著不足之處首先，需要嚴(yán)格控制種子層的厚度來實(shí)現(xiàn)對(duì)納米線生長(zhǎng) 密度的控制；其次，用溶液法生長(zhǎng)的氧化鋅納米線在襯底上的取向不好控制。這將直接影響 氧化鋅納米線陣列在場(chǎng)發(fā)射、納米線發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用。再如在2008年11月26日公開 的中國發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書CN 101311358A中披露了一種“飛秒激光制備氧化鋅納米 線陣列的方法及其裝置”。它提供了一種用飛秒激光輻射場(chǎng)在氧化鋅靶材上通過二維精密 位移控制來實(shí)現(xiàn)氧化鋅納米線周期性生長(zhǎng)。但是，這種制備方法也存在著不足之處首先， 這種方法是直接在靶材上生長(zhǎng)納米線，所制備的納米線不利于二次利用；其次，需要精密機(jī) 械控制臺(tái)來實(shí)現(xiàn)納米線的周期性生長(zhǎng)，并且無法實(shí)現(xiàn)密度控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服了上述的技術(shù)缺陷，通過引入氧化鋅緩沖層和調(diào)節(jié)靶材與 襯底之間的距離來實(shí)現(xiàn)氧化鋅納米線陣列生長(zhǎng)密度的大范圍調(diào)控。氧化鋅納米線陣列可以分為高密度氧化鋅納米線陣列和低密度氧化鋅納米線陣 列。所說的高密度是指氧化鋅納米線在襯底上的生長(zhǎng)密度數(shù)值在1/ μ m2以上。所說的低密度是指氧化鋅納米線在襯底上的生長(zhǎng)密度數(shù)值在1/ μ m2以下。在純藍(lán)寶石襯底上，通過高壓脈沖激光燒蝕方法，可生長(zhǎng)高密度10-50/ μ m2氧化 鋅納米線陣列；在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層氧化鋅緩沖層，通過高壓脈沖激光燒蝕方法，可生長(zhǎng)低 密度0. 01-1/μ m2氧化鋅納米線陣列；所說的氧化鋅緩沖層是指通過傳統(tǒng)低壓激光脈沖沉積生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的一 層厚度為20nm-500nm的氧化鋅薄膜。
本發(fā)明所述的氧化鋅納米線長(zhǎng)密度從低到高的調(diào)控是指納米線生長(zhǎng)密度從0. 1/ μ m2到10/μ m2之間變化。其中采用高壓激光燒蝕法直接制備高密度氧化鋅納米線陣列的方法，其具體步驟 為高壓激光燒蝕法是將該KrF激光經(jīng)過透鏡聚焦以后沿著石英管軸心線到達(dá)氧化 鋅靶材上，靶材的正前方放有一個(gè)藍(lán)寶石Al2O3生長(zhǎng)襯底，由于靶材吸收激光的高能量，被 迅速融化并蒸發(fā)為等離子態(tài)的氧和鋅；激光的波長(zhǎng)是248nm，能量密度是l_3J/Cm2，頻率是 ΙΗζ-ΙΟΗζ，石英管內(nèi)的生長(zhǎng)壓強(qiáng)是20mbar-100mbar，生長(zhǎng)溫度是750°C _800°C，生長(zhǎng)時(shí)間是 10分鐘-30分鐘；靶材與襯底之間的距離為6mm 15mm ；在流動(dòng)載氣高純氬氣Ar的輸送 下，等離子態(tài)的氧和鋅在襯底上沉積而生長(zhǎng)成一維的氧化鋅納米線陣列。其中采用高壓激光燒蝕法制備低密度的氧化鋅納米線陣列的方法，其具體步驟 為采用傳統(tǒng)低壓脈沖激光沉積法在藍(lán)寶石Al2O3襯底上生長(zhǎng)一層氧化鋅緩沖層，其 中氧化鋅緩沖層的厚度為20nm-500nm，激光的波長(zhǎng)是248nm，能量密度是2J-3J/cm2，頻率 是2Hz-10Hz，將該KrF激光經(jīng)過透鏡聚焦以后沿著石英管軸心線到達(dá)氧化鋅靶材上，靶材 的正前方放有一個(gè)生長(zhǎng)襯底，由于靶材吸收激光的高能量，被迅速融化并蒸發(fā)為等離子態(tài) 的氧和鋅；石英管內(nèi)的生長(zhǎng)壓強(qiáng)是20mbar-100mbar，生長(zhǎng)溫度是800°C，生長(zhǎng)時(shí)間是10分 鐘-30分鐘；靶材與襯底之間的距離為6mm 15mm。其中上面所述的石英管形狀為T型。本發(fā)明的有益效果為通過高壓脈沖激光燒蝕技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了高密度氧化鋅納 米線陣列的生長(zhǎng)，并且利用緩沖層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低密度氧化鋅納米線的生長(zhǎng)，進(jìn)而通過調(diào)節(jié) 靶材和襯底之間的距離，實(shí)現(xiàn)了氧化鋅納米線生長(zhǎng)密度的大范圍調(diào)控。該發(fā)明生長(zhǎng)工藝簡(jiǎn) 單，重復(fù)性好，制備效率高，所制備的氧化鋅納米線陣列均勻，晶體質(zhì)量高，可以滿足氧化鋅 納米線在場(chǎng)發(fā)射顯示及光電器件方面得應(yīng)用。


附圖1是本發(fā)明所采用的生長(zhǎng)設(shè)備示意圖。一個(gè)波長(zhǎng)為248納米的KrF準(zhǔn)分子激 光，經(jīng)過透鏡聚焦以后沿著石英管軸心線到達(dá)氧化鋅靶材上。靶材的正前方放有一個(gè)生長(zhǎng) 襯底。由于靶材吸收激光的高能量，被迅速融化并蒸發(fā)為等離子態(tài)的氧和鋅。在圖中所示 流動(dòng)載氣的輸送下，等離子態(tài)的氧和鋅在襯底上沉積而生長(zhǎng)成一維的氧化鋅納米線陣列。附圖2是以附圖1中的生長(zhǎng)設(shè)備，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的高密度氧化鋅納米線陣 列的掃描電子顯微鏡照片。通常其密度可以高達(dá)10/μ m2.所采用的襯底是a取向的藍(lán)寶 石(Al2O3),所采用的載氣是高純氬氣(Ar)，激光的波長(zhǎng)是248nm，能量密度是2J/cm2，頻率 是10Hz，生長(zhǎng)時(shí)間是10分鐘。石英管內(nèi)的生長(zhǎng)壓強(qiáng)是IOOmbar，生長(zhǎng)溫度是800°C。靶材與 襯底之間的距離為15mm。附圖3是以附圖1中的生長(zhǎng)設(shè)備，在生長(zhǎng)了一層氧化鋅緩沖層的藍(lán)寶石(Al2O3) 襯底上生長(zhǎng)的低密度氧化鋅納米線陣列的掃描電子顯微鏡照片，其密度僅為0. l/ym2.氧 化鋅緩沖層是用傳統(tǒng)低壓脈沖激光沉積法制備的，厚度為30nm。所采用的載氣是高純氬氣 (Ar)，激光的波長(zhǎng)是248nm，能量密度是2J/cm2，頻率是10赫茲，生長(zhǎng)時(shí)間是10分鐘。石英管內(nèi)的生長(zhǎng)壓強(qiáng)是lOOmbar，生長(zhǎng)溫度是800°C。靶材與襯底之間的距離為7mm。附圖4是以圖1中的生長(zhǎng)設(shè)備所生長(zhǎng)的具有不同密度的氧化鋅納米線陣列的掃描 電子顯微鏡照片，其密度介于1/μ m2-0. 1/μπι2之間.所采用的襯底是生長(zhǎng)了一層氧化鋅緩 沖層的藍(lán)寶石(Al2O3)15氧化鋅緩沖層是用傳統(tǒng)脈沖激光沉積法制備的，厚度為30nm。所采 用的載氣是高純氬氣(Ar)，激光的能量密度是2J/cm2，頻率是10赫茲，生長(zhǎng)時(shí)間是10分鐘。 石英管內(nèi)的生長(zhǎng)壓強(qiáng)是lOOmbar，生長(zhǎng)溫度是800°C。圖4中上、中、下三張掃描電鏡照片對(duì) 應(yīng)的靶材與襯底之間的距離分別為12mm、9mm、6mm。附圖5本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的氧化鋅納米線陣列生長(zhǎng)密度的調(diào)控范圍從0. 1/μ m2到 10/μ m2。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的技術(shù)方案不以實(shí)施例 為限。實(shí)施例1高密度氧化鋅納米線的生長(zhǎng)(10/ μ m2)(1)以純度為99. 999%的氧化鋅粉末為原料，經(jīng)過壓片和燒結(jié)工藝，制成氧化鋅 的靶材。(2)靶材固定于附圖1所示位置，并通過外部馬達(dá)帶動(dòng)勻速(20-30轉(zhuǎn)/分)轉(zhuǎn)動(dòng)。(3)石英管的直徑是50mm，生長(zhǎng)溫度是825 °C，載氣是高純氬氣，流量是50SCCM，襯 底是a趨向的藍(lán)寶石(Al2O3),尺寸IX lcm2。(4)激光的工作條件是波長(zhǎng)248nm，頻率10Hz，能量密度2J/cm2。(5)生長(zhǎng)氣壓是IOOmbar ；生長(zhǎng)時(shí)間是20分鐘。(6)靶材和襯底之間的距離為15mm。實(shí)施例2低密度氧化鋅納米線的生長(zhǎng)(0. 1/μ m2)(1)所采用襯底是生長(zhǎng)了氧化鋅緩沖層的a趨向的藍(lán)寶石(Al2O3),尺寸lXlcm2， 緩沖層的厚度40nm ；其中緩沖層的激光脈沖沉積生長(zhǎng)條件是生長(zhǎng)氣壓10-4mbar，背景氣 氛為氧氣，生長(zhǎng)溫度625°C ；激光的工作條件是波長(zhǎng)248nm，頻率10Hz，能量密度3J/cm2，生 長(zhǎng)時(shí)間為2分鐘；(2)以純度為99. 999%的氧化鋅粉末為原料，經(jīng)過壓片和燒結(jié)工藝，制成氧化鋅 的靶材；(3)靶材固定于圖1所示位置，并通過以外部馬達(dá)帶動(dòng)勻速(20-30轉(zhuǎn)/分)轉(zhuǎn)動(dòng)；(4)石英管的直徑是50mm，生長(zhǎng)溫度是825 °C，載氣是高純氬氣，流量是50SCCM ；生 長(zhǎng)氣壓是IOOmbar ；生長(zhǎng)時(shí)間是20分鐘；(5)靶材和襯底之間的距離為6mm。實(shí)施例3不同密度的氧化鋅納米線陣列的生長(zhǎng)(1)_(6)同上述實(shí)施例2。(7)靶材和襯底之間的距離從6mm依次增大為9mm，12mm和15mm。結(jié)果表明，隨
5著靶材和襯底之間距離的增大，氧化鋅米線陣列的密度逐漸增大為0. 3/ μ m2，0. 5/ μ m2，1/ μ m2。 綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)氧化鋅納米線陣列的可控生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)密度 可以實(shí)現(xiàn)從0. l/ym2到10/μ m2四個(gè)數(shù)量級(jí)之間的調(diào)節(jié)，如附圖5所示。密度可控的氧化 鋅納米線陣列的生長(zhǎng)對(duì)組裝氧化鋅納米線的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)、場(chǎng)發(fā)射顯示器件及納米發(fā)電 機(jī)均具有至關(guān)重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。
權(quán)利要求
1.一種密度可控氧化鋅納米線陣列的制備方法，其特征在于在純藍(lán)寶石襯底上，通 過高壓脈沖激光燒蝕方法，生長(zhǎng)氧化鋅納米線陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的密度可控氧化鋅納米線陣列的制備方法，其特征在于在藍(lán)寶 石襯底上生長(zhǎng)一層氧化鋅緩沖層，生長(zhǎng)低密度氧化鋅納米線陣列。
3.如權(quán)利要求1或2所述的密度可控氧化鋅納米線陣列的制備方法，其特征在于通 過調(diào)節(jié)靶材與襯底之間的距離，實(shí)現(xiàn)氧化鋅納米線生長(zhǎng)密度從低到高的調(diào)控，其中靶材與 襯底之間的距離為6mm 15mm。
4.如權(quán)利要求2所述的密度可控氧化鋅納米線陣列的制備方法，其特征在于所述的 氧化鋅緩沖層的厚度為20nm-500nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化鋅納米線材料的高壓激光燒蝕制備方法，尤其是實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米線陣列生長(zhǎng)密度的大范圍調(diào)控。通過引入氧化鋅緩沖層和調(diào)節(jié)靶材與襯底之間的距離來實(shí)現(xiàn)氧化鋅納米線陣列生長(zhǎng)密度的大范圍調(diào)控。通過高壓脈沖激光燒蝕技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了高密度氧化鋅納米線陣列的生長(zhǎng)，并且利用緩沖層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低密度氧化鋅納米線的生長(zhǎng)，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)靶材和襯底之間的距離，實(shí)現(xiàn)了氧化鋅納米線生長(zhǎng)密度的大范圍調(diào)控。
文檔編號(hào)C04B41/50GK102115339SQ20101001160
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者曹丙強(qiáng), 段廣彬, 胡夕倫, 鄭少華 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)