制備半導(dǎo)體納米材料的有機(jī)氣相沉積裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體納米材料領(lǐng)域，提供了一種制備半導(dǎo)體納米材料的有機(jī)氣相沉積裝置及方法，包括：石英管，管式爐，以及氣流控制設(shè)備，其中，所述管式爐包括爐腔，以及包裹在爐外壁的隔熱材料層；所述石英管包括加熱區(qū)和生長區(qū)，加熱區(qū)位于所述管式爐內(nèi)部，所述生長區(qū)位于管式爐加熱區(qū)之外；所述石英管包括進(jìn)氣端，出氣端，以及小孔通道區(qū)和引流通道區(qū)，載氣引導(dǎo)所述石英管內(nèi)高溫升華的原料氣體分子流動(dòng)到所述石英管的生長區(qū)。本發(fā)明使得納米材料的生長過程具有更強(qiáng)的調(diào)控作用，提高了納米材料的制備效率，制備裝置成本低廉，操作簡單，無污染。
【專利說明】制備半導(dǎo)體納米材料的有機(jī)氣相沉積裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體納米材料領(lǐng)域，特別涉及半導(dǎo)體納米材料的有機(jī)氣相沉積裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]有機(jī)半導(dǎo)體材料具有很多優(yōu)良的性質(zhì)，如功能可設(shè)計(jì)性、結(jié)構(gòu)多樣性、柔韌易加工性等，還具有質(zhì)量輕、可低溫大面積成膜、易大量制備和低成本等特點(diǎn)；在微、納電子元器件及其集成電路中將有著廣闊的應(yīng)用前景。與宏觀尺度的有機(jī)半導(dǎo)體材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體納米材料不僅在光、電、磁等性質(zhì)方面有較大的提升和改進(jìn)，而且還可以作為納米電子元器件的組成單元和導(dǎo)線。對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸和生長方向的精確控制是實(shí)現(xiàn)有機(jī)半導(dǎo)體納米材料在微、納及光電子器件領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0003]至今為止，有很多關(guān)于合成或制備有機(jī)半導(dǎo)體納米材料方法的報(bào)道，可分為物理法和化學(xué)法兩大類。有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備方法主要包括如下幾種:自組裝法，再沉淀法，模板輔助法，有機(jī)氣相沉積法等。
[0004]有機(jī)氣相沉積(OVPD)法起初主要應(yīng)用于OLED發(fā)光器件等的薄膜制備，利用載氣體傳輸制備生長有機(jī)小分子薄膜。有機(jī)氣相沉積(OVPD)法可以在大面積基板上更加快速均勻地生長有機(jī)小分子薄膜，同時(shí)也能夠保持有機(jī)材料的高純度。有機(jī)氣相沉積(OVPD)法的研究和應(yīng)用主要集中于有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的制備，理論方面的模擬計(jì)算。近年來，一些研究組應(yīng)用有機(jī)氣相沉積(OVPD)法來研究有機(jī)半導(dǎo)體納米材料。香港大學(xué)的Djurisic博士研究組，英國帝國理工的Sandrine Heutz博士研究組,重慶師范大學(xué)的苑進(jìn)社教授課題組,中國科學(xué)院蘇州納米科技與納米仿生研究所的Feng-Xia Wang課題組等開展了氣相沉積法制備有機(jī)半導(dǎo)體納米帶和納米線等納米材料及器件的研究。
[0005]有機(jī)氣相沉積法的現(xiàn)有裝置需要在真空的環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備。一種低成本，維護(hù)和操作簡單，能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)需求，綠色環(huán)保的有機(jī)氣相沉積裝置一直是業(yè)界尋求解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于半導(dǎo)體納米材料制備的石英管，其包括:加熱區(qū)以及生長區(qū)；半導(dǎo)體納米材料的制備原料放置于石英管的加熱區(qū)內(nèi)，制備原料在高溫升華后，其升華的原料氣體分子流動(dòng)到生長區(qū)，生成納米材料。
[0007]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的石英管，可選地，半導(dǎo)體納米材料的制備原料放置在石英管內(nèi)的石英舟上，石英舟的上方蓋有石英蓋，石英蓋上開設(shè)一個(gè)或多個(gè)小孔。
[0008]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的石英管，可選地，石英管還包括小孔通道區(qū)域，小孔通道區(qū)域包括多個(gè)小孔通道，升華的原料氣體分子經(jīng)過小孔通道，流動(dòng)到石英管的生長區(qū)。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的石英管，可選地，小孔通道個(gè)數(shù)大于或等于5個(gè)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的石英管，可選地，石英管還包括引流通道區(qū)域，引流通道區(qū)域設(shè)置有供升華的原料氣體分子通過的小孔通道，以及引入外部室溫氣流的引流通道。
[0011]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的石英管，可選地，引流通道的入口開設(shè)于石英管的室溫生長區(qū)的外壁上，外部氣流經(jīng)石英管管壁進(jìn)入到石英管內(nèi)部。
[0012]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的石英管，可選地，引流通道經(jīng)過石英管管壁的部分為，平行于石英管的具有一定長度的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的石英管，可選地，引流通道的出口分布于小孔通道的附近。
[0014]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的石英管，可選地，引流通道的出口為，以小孔通道為軸心的具有一定長度的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的石英管，可選地，引流通道為4個(gè)管狀結(jié)構(gòu)，小孔通道的個(gè)數(shù)為I個(gè)，引流通道的出口分別分布于小孔通道的上下左右，呈十字排列。
[0016]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的石英管，可選地，小孔通道的出口在氣流水平流動(dòng)方向上的位置，略超前于引流通道的出口的位置。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種半導(dǎo)體納米材料的制備設(shè)備，其包括上述所有方案的石英管。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種半導(dǎo)體納米材料的制備設(shè)備，其包括:石英管，管式爐，以及氣流控制裝置，管式爐包括爐腔，以及包裹在爐外壁的隔熱材料層；石英管包括加熱區(qū)和生長區(qū)，放置半導(dǎo)體納米材料的制備原料的加熱區(qū)位于管式爐內(nèi)部，石英管的生長區(qū)位于管式爐外部；石英管包括進(jìn)氣端和出氣端，氣流控制裝置控制輸入的載氣從石英管的進(jìn)氣端進(jìn)入，引導(dǎo)石英管內(nèi)高溫升華的原料氣體分子流動(dòng)到石英管的生長區(qū)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，管式爐為三溫段管式爐，該三溫段管式爐沿氣流流動(dòng)方向分別設(shè)有高溫段，中溫段和低溫段，石英管放置于三溫段管式爐的高溫段部分。
[0020]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，在三溫段管式爐的高溫段與中溫段之間，中溫段與低溫段之間，分別設(shè)置有絕熱材料層。
[0021]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，氣流控制裝置包括:氣體流量計(jì)，用于控制氣體的流速。
[0022]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，氣流控制裝置包括:精密針型閥以及氣體流量計(jì)，在真空環(huán)境中，精密針型閥以及氣體流量計(jì)協(xié)同調(diào)控載氣氣流緩慢地進(jìn)入石英管的腔體。
[0023]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，氣流控制裝置還包括:真空泵，用于快速對(duì)石英管腔體抽真空；真空計(jì)，用于測量石英管腔體內(nèi)是否是真空；截止閥，用于截止或?qū)饬魍?，以保護(hù)真空計(jì)。
[0024]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，在石英管的生長區(qū)的外部的預(yù)定位置，設(shè)置有電場、磁場和/或電磁波。
[0025]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，石英管包括小孔通道區(qū)域，小孔通道區(qū)域位于石英管的進(jìn)氣端與出氣端之間的部分，小孔通道區(qū)域包括多個(gè)小孔通道，升華的原料氣體分子經(jīng)過小孔通道，流動(dòng)到石英管的生長區(qū)。
[0026]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，小孔通道區(qū)域位于石英管在管式爐加熱中心的一側(cè)，該側(cè)靠近氣流出口方向。
[0027]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，小孔通道區(qū)域的起始端位于距離管式爐內(nèi)部加熱中心70_，結(jié)束端位于管式爐靠近氣流出口方向的爐壁處。
[0028]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，石英管包括引流通道區(qū)域，引流通道區(qū)域位于石英管的進(jìn)氣端與出氣端之間的部分，引流通道區(qū)域設(shè)置有供升華的原料氣體分子通過的小孔通道，以及引入外部室溫氣流的引流通道。
[0029]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備，可選地，引流通道的起始端位于管式爐加熱中心的一側(cè)，該側(cè)靠近氣流出口方向。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供了一種半導(dǎo)體納米材料的制備方法，其包括以下步驟:將半導(dǎo)體納米材料的原料放入加熱區(qū)；對(duì)所述加熱區(qū)進(jìn)行加熱；通過運(yùn)載氣體，將高溫升華后的原料氣體分子引導(dǎo)至室溫生長區(qū)生長納米材料。
[0031]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備方法，可選地，將半導(dǎo)體納米材料的原料放入石英管的加熱區(qū)；將石英管放入管式爐中加熱；通過運(yùn)載氣體，將高溫升華后的原料氣體分子引導(dǎo)至石英管的生長區(qū)生長納米材料。
[0032]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備方法，可選地，將半導(dǎo)體納米材料的原料放入石英舟內(nèi)，將帶有一個(gè)或多個(gè)小孔的石英蓋蓋在石英舟上，將蓋有石英蓋的石英舟放入石英管的加熱區(qū)。
[0033]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備設(shè)備和制備方法不僅可用于有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備，還可用于無機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備。
[0034]本發(fā)明所提供的有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的有機(jī)氣相沉積裝置，該裝置通過調(diào)控有機(jī)氣相沉積的溫度場、溫度梯度、源基距離、氣氛壓強(qiáng)、氣體流量、氣體溫度，以及通過調(diào)控電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度和電磁波頻率，較好地控制有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸和生長方向，特別是有機(jī)半導(dǎo)體納米線/棒。另外，本發(fā)明所提供的有機(jī)氣相沉積裝置使加熱升華的有機(jī)半導(dǎo)體材料氣體能夠快速流動(dòng)，在很短時(shí)間內(nèi)流到中溫段、低溫段和室溫段的納米材料生長區(qū)域，并均勻布滿納米材料生長區(qū)域，從而使得加熱升華的有機(jī)半導(dǎo)體材料能在生長區(qū)域大量生長納米材料，提高了納米材料的制備效率。本發(fā)明的效果和益處是不需要使用模板和催化劑，高效率低成本地制備結(jié)晶好，無缺陷，高純度的有機(jī)半導(dǎo)體納米材料；獲得具有新晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)異光、電、磁等物理化學(xué)特性的有機(jī)半導(dǎo)體材料；在常壓下調(diào)控有機(jī)半導(dǎo)體納米線/棒的直徑、生長方向和晶體結(jié)構(gòu)，有利于器件的制備和降低成本。直徑小于lOOnm、尺寸可控的有機(jī)半導(dǎo)體納米線束能保持相同的生長方向達(dá)到厘米量級(jí)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)半導(dǎo)體納米材料及器件的低成本和高效的生長制備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅涉及本發(fā)明的一些實(shí)施例，而非對(duì)本發(fā)明的限制。
[0036]圖1是有機(jī)半導(dǎo)體納米材料制備設(shè)備的示意圖；
[0037]圖2是三溫段管式爐的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖3a是具有小孔通道區(qū)域的石英管在單溫段管式爐中的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖3b為圖3a在1-1處豎直方向的剖面圖；
[0040]圖4a為具有引流通道區(qū)域的石英管在單溫段管式爐中的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖4b為4通道的引流通道區(qū)域在2-2處的豎直方向剖面圖；
[0042]圖4c為4通道的引流通道區(qū)域在3-3處的豎直方向剖面圖；
[0043]圖4d為4通道的引流通道區(qū)域在4-4處的豎直方向剖面圖；
[0044]圖4e為環(huán)狀入口的引流通道區(qū)域在4-4處豎直方向剖面圖；
[0045]圖4f為管狀入口環(huán)狀出口的引流通道區(qū)域在2-2處豎直方向剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0046]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；谒枋龅谋景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在無需創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0047]除非另作定義，此處使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬領(lǐng)域內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本發(fā)明專利申請(qǐng)說明書以及權(quán)利要求書中使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分。同樣，“一個(gè)”或者“一”等類似詞語也不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個(gè)。
[0048]本發(fā)明的有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備設(shè)備主要組成部分包括:石英管、管式爐、以及氣流控制裝置，石英管主要用來提供有機(jī)半導(dǎo)體材料的加熱升華、反應(yīng)以及納米材料生成的載體；管式爐主要是用于對(duì)石英管進(jìn)行高溫加熱；氣流控制裝置主要是將運(yùn)載氣體輸入到石英管，引導(dǎo)高溫升華的有機(jī)半導(dǎo)體原材料分子的流動(dòng)，并回收從石英管輸出的氣體。
[0049]實(shí)施例一
[0050]圖1是有機(jī)半導(dǎo)體納米材料制備設(shè)備的示意圖。參見圖1，石英管11為管狀結(jié)構(gòu)，石英管11的一部分放置于管式爐12中，其他部分置于管式爐12外部；石英管11包括一個(gè)進(jìn)氣端111和一個(gè)出氣端112，其進(jìn)氣端與氣流控制裝置13的氣體輸入部分131連接，其出氣端113與氣流控制裝置13的氣體輸出部分132連接。
[0051]其中，石英管11在管式爐12內(nèi)的部分為物料加熱區(qū)；石英管11在管式爐12外部的靠近氣流流出方向的部分為生長區(qū)，生長區(qū)是有機(jī)半導(dǎo)體納米材料生長區(qū)，在此生長區(qū)，在預(yù)定位置處設(shè)置電場、磁場和電磁波來分別實(shí)現(xiàn)橫向和徑向控制納米線的生長，優(yōu)選地，電場強(qiáng)度在0-500V之間,磁場強(qiáng)度在0-2Tesla之間，電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度變化包括徑向及橫向上的變化。可選地，石英管中的加熱區(qū)域上優(yōu)選設(shè)置石英舟，石英舟的尺寸以具體實(shí)驗(yàn)而定，而且在石英舟的上方蓋有小孔的石英蓋子，蓋子上的小孔直徑和數(shù)量均可變，具體的以實(shí)際實(shí)驗(yàn)的需求而定；在生長區(qū)優(yōu)選設(shè)置基底，該基底可以使用，但不限于，不銹鋼片，硅片，氧化鋁片，陶瓷，玻璃，塑料等材質(zhì)形成的基底。對(duì)該基底的性質(zhì)沒有任何限制。優(yōu)選地，石英管11的外徑是40mm,內(nèi)徑是32mm,長度是1800mm。
[0052]管式爐12包括一個(gè)爐腔區(qū)121以及包裹在管式爐12外表面的絕熱材料層122。
[0053]可選地，管式爐12為單溫段管式爐，其爐腔121的長度為440mm，腔內(nèi)的加熱區(qū)位于爐中央位置，通常，加熱區(qū)的長度為300mm，管式爐12的絕緣材料層122的厚度可以為50mm或100mm。管式爐12可以進(jìn)行程序化精確控溫，最高溫度為1200攝氏度。
[0054]氣流控制裝置13包括載氣輸入部分131和載氣輸出部分132，載氣從載氣輸入部分131流入，從載氣輸出部分132流出。參見圖1，在本發(fā)明實(shí)施例中，載氣輸入部分131設(shè)置在石英管11的左端；載氣輸出部分132設(shè)置在石英管11的右端，載氣的氣流方向?yàn)閺淖笙蛴伊鲃?dòng)。
[0055]載氣輸入部分131包括一個(gè)進(jìn)氣口 1311，氣路管道1312，精密針型閥1313，氣體流量計(jì)1314，氣路總成1315，截止閥1316，真空計(jì)1317。進(jìn)氣口 1311與氣路管道聯(lián)通，運(yùn)載氣體從氣流控制裝置13的載氣輸入部分131的進(jìn)氣口 1311進(jìn)入，經(jīng)氣路通道1312可以到達(dá)氣路總成1315，然后可以流入石英管11的進(jìn)氣端111，氣路管道1312可以設(shè)計(jì)為分別與進(jìn)氣口 1311連通的上下兩路通道，在其中一路通道上，可以設(shè)置精密針型閥1313，在另一路通道上，可以設(shè)置氣體流量計(jì)1314，精密針型閥1313可以與氣體流量計(jì)一起使用，用于控制氣流的流速。截止閥1316可以設(shè)置在氣路總成1315上，真空計(jì)1317可以設(shè)置在截止閥1316的上方，用于測量腔體內(nèi)的真空度；截止閥可以起到保護(hù)真空計(jì)1317的作用。
[0056]氣流控制裝置13的載氣輸出部分132的設(shè)計(jì)與載氣輸入部分131的機(jī)構(gòu)類似，也可以包括氣路管道1312，精密針型閥1313，氣體流量計(jì)1314，氣路總成1315，截止閥1316，真空計(jì)1317，和出氣口 1318，其中，出氣口 1318與氣路管道1312連通，用于排出管道內(nèi)的氣體。另外，與載氣輸入部分131不同的是，氣體輸出部分132的氣路總成1315上，還可以連接一個(gè)真空泵1319，用于快速地對(duì)石英管11腔體抽真空。
[0057]本發(fā)明實(shí)施例的有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備設(shè)備在常壓環(huán)境、低壓環(huán)境或是真空環(huán)境中都可以使用。在常壓環(huán)境下，只要石英管內(nèi)無任何雜質(zhì)，氣體控制設(shè)備中的精密針型閥1313、真空計(jì)1317、精密針型閥1313、截止閥1316以及真空泵1319等組件均可以省略，僅通過氣體流量計(jì)1314來控制氣體的流速即可。如此設(shè)計(jì)的制備設(shè)備變得更為簡單實(shí)用，制備成本也更低廉。
[0058]使用真空泵1319抽一段時(shí)間真空后，在低壓環(huán)境或真空環(huán)境下，打開截止閥1316，再打開真空計(jì)1317測量腔體內(nèi)的真空度，如此可以保護(hù)真空計(jì)。在載氣進(jìn)入之前，關(guān)閉載氣輸入部分131的截止閥1316和真空計(jì)1317，然后輸入載氣，此時(shí)，氣體流量計(jì)1314和精密針型閥1313可以一起使用，用于保證載氣氣流緩慢地進(jìn)入石英管11的腔體內(nèi)。
[0059]在本發(fā)明實(shí)施例中，有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備過程如下:
[0060]首先，將制備納米材料的原料，即，有機(jī)半導(dǎo)體材料，放入石英管11的石英舟內(nèi)；[0061 ] 然后，按實(shí)驗(yàn)方案安裝好實(shí)驗(yàn)裝置；
[0062]再后，打開氣流控制裝置，通入運(yùn)載氣體一定時(shí)間后，啟動(dòng)管式爐加熱物料，運(yùn)載氣體將加熱升華的物料引導(dǎo)流動(dòng)到石英管11的生長區(qū)；
[0063]最后，物料氣體分子可以在石英管11的生長區(qū)生成納米材料。
[0064]上述制備過程中，在單溫段管式爐的中央，石英管11中的有機(jī)半導(dǎo)體物料被高溫加熱升華成氣體分子，氣體分子在載氣的作用下，通過管式爐12的絕熱保溫層122，溫度發(fā)生驟變，氣體分子繼續(xù)在運(yùn)載氣體的作用下到達(dá)石英管11的爐外生長區(qū)，并在爐外生長區(qū)生長出納米材料，從氣流控制裝置輸入的運(yùn)載氣體可以是惰性氣體，可選地，使用N2或是Ar。
[0065] 因此，本發(fā)明實(shí)施例通過管式爐12外壁的絕熱材料層122，能夠使溫度驟降，促使升華的氣體分子在下進(jìn)行生長；另外，氣流控制裝置，能夠有效地輸送運(yùn)載氣體，加速升華的納米氣體分子向生長區(qū)流動(dòng)，從而高效地生成有機(jī)小分子半導(dǎo)體納米材料。并且，本發(fā)明實(shí)施例在制備過程中可以不需要真空環(huán)境；制備設(shè)備成本低廉，操作簡單，無污染。
[0066]實(shí)施例二
[0067]在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，管式爐還可以采用三溫段管式爐，即管式爐包括，低溫段，中溫段以及高溫段，圖2是三溫段管式爐的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，石英管21放置在三溫段管式爐22中，該三溫段管式爐21沿氣流運(yùn)動(dòng)方向分別劃分成高溫段221，中溫段222以及低溫段223，在管式爐22的整個(gè)外表面，以及在高溫段221與中溫段222之間，中溫段222與低溫段223之間，分別設(shè)置有絕熱材料層224。可選地，絕緣材料厚度為50mm或10mm ；三溫段管式爐每個(gè)溫段之間的絕熱材料的厚度為50mm或100mm。
[0068]使用三溫段的管式爐制備納米材料與單溫段管式爐方案不同之處在于，三溫段管式爐包括三個(gè)溫段，高溫段，例如400-60(TC，優(yōu)選400-50(TC ;中溫段，例如100-300°C，例如100-150。。;低溫段，例如10-100。。，或者10-500C ο在高溫段中，以例如小于等于10°C /min的升溫速度，或者小于等于8°C /min，或者小于等于5°C /min，或者小于等于2V /min、或者小于等于TC /min的升溫速度逐漸升溫至400°C至600°C的溫度，例如480°C，或者450°C的溫度。越接近預(yù)定溫度，加熱間隔越小。在三溫段管式爐22的高溫段的中央，石英管21中的有機(jī)半導(dǎo)體材料被高溫加熱升華成氣體分子，達(dá)到設(shè)定溫度后，保持一定時(shí)間。通常保持原料在高溫段，維持例如2至6小時(shí)，或者例如3至5小時(shí)。在原料升華過程中，引入的運(yùn)載氣體將升華的氣體分子運(yùn)載到生長區(qū)生長納米材料，升華的氣體分子通過三溫段管式爐22中每個(gè)溫段之間的絕熱材料，溫度發(fā)生驟變，歷經(jīng)中溫段、低溫段和室溫段，升華的氣體分子溫度依次驟降。高溫段、中溫段、低溫段和室溫段鄰接設(shè)置。升華的氣體分子在中溫段、低溫段和室溫段生長納米晶體。
[0069]無論是單溫段管式爐還是三溫段管式爐，都可以有效地對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體納米材料進(jìn)行制備，使用這兩種管式爐，石英管室溫段生長的納米線在形貌、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)方面幾乎表現(xiàn)一致。在三溫段管式爐中，只使用了高溫段，其余的溫段(中溫段和低溫段)都是自由變化。不同之處是:在三溫段爐子中，三個(gè)溫段與外界的隔熱效果較好，中溫段和低溫段受高溫段溫度的影響較大；例如，加熱結(jié)束后，中溫段的終溫可能會(huì)達(dá)到144°C左右，是由室溫慢慢升至144°C，可以生長出網(wǎng)狀納米材料，例如，網(wǎng)狀酞菁鈷納米線；低溫段的終溫可能會(huì)達(dá)到為33°C左右，同樣由室溫慢慢升至33°C，會(huì)出現(xiàn)死區(qū)，即不會(huì)生長出納米材料。而單溫段管式爐，只有一個(gè)溫段，相當(dāng)于三溫段管式爐的中溫段和低溫段全部置于室溫狀態(tài)，這樣，除了在管式爐11外附近(例如，距離管式爐爐壁大約1cm處)，由于會(huì)受加熱溫區(qū)的影響，長成了網(wǎng)狀納米線之外，余下的室溫段區(qū)域都能生長線狀，或是集成束狀的納米線，不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)。
[0070]實(shí)施例三
[0071]如果氣體分子沒有及時(shí)流動(dòng)到石英管的生長區(qū)，并且由于爐腔內(nèi)靠近電阻絲的中央位置溫度最高，其他地方溫度稍低，因此，一段時(shí)間后(例如，3小時(shí)后)，部分氣體分子將會(huì)在管式爐靠近爐壁的位置形成針狀粗大晶體，隨著實(shí)驗(yàn)制備時(shí)間的延長，粗大晶體的量會(huì)越來越多，嚴(yán)重影響石英管在管式爐外的室溫段生長的納米材料的量。因此，為了加快原料氣體分子在這個(gè)位置處的流速，在實(shí)施例一和實(shí)施例二的基礎(chǔ)上，還可以對(duì)石英管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做下述的改進(jìn)。
[0072]在本發(fā)明實(shí)施例中，在石英管的進(jìn)氣端與出氣端的中間部分，設(shè)置一小孔通道區(qū)域，圖3a是具有小孔通道區(qū)域的石英管在單溫段管式爐中的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，在單溫段管式爐中，石英管31的小孔通道區(qū)域311位于管式爐32內(nèi)部，靠近氣流流出方向的爐壁一側(cè)，優(yōu)選地，該小孔通道區(qū)域的初始端位于管式爐32的加熱區(qū)域，結(jié)束端位于管式爐32的靠近氣流流出方向的爐壁側(cè)壁。優(yōu)選地，小孔通道區(qū)域311的初始端距離管式爐32的中心位置70mm。在三溫段管式爐中，該小孔通道區(qū)域的初始端位于管式爐32高溫區(qū)，更具體地，距離高溫區(qū)中心位置70_，小孔通道區(qū)域總長度為100_。
[0073]圖3b為圖3a在1-1處豎直方向的剖面圖，參見圖3b，在石英管31的小孔通道區(qū)域311內(nèi)，設(shè)有多個(gè)小孔通道3111-3115，這些小孔通道3111-3115被設(shè)置成在水平方向上與石英管31的軸心平行，且設(shè)置在石英管軸心位置或軸心位置周圍，優(yōu)選地，小孔通道的個(gè)數(shù)為5個(gè)，也可以多于5個(gè)，小孔通道越多，氣體分子的流速越快，流動(dòng)到室溫區(qū)的氣體分子越均勻，由此，氣體分子可以布滿整個(gè)石英管的室溫區(qū)域，并在室溫區(qū)域的管內(nèi)各個(gè)地方都生長出納米材料。優(yōu)選地，小孔通道區(qū)域的小孔的孔徑為5_，長為100_。而石英管31的外徑為40mm,內(nèi)徑為32mm,長為1800mm。另外,在此小孔通道區(qū)的外壁上還可以布滿加熱電阻絲，用于加熱升高這個(gè)區(qū)域的溫度，避免在此位置形成粗大的有機(jī)半導(dǎo)體晶體。
[0074]在該實(shí)施例中，如果采用單溫段管式爐，那么，被載氣承載的升華氣體分子的氣流首先要經(jīng)過管式爐31的爐腔312的加熱區(qū)被加熱，然后通過小孔通道區(qū)域311，氣流被小孔通道區(qū)域311的小孔通道3111-3115分成若干股氣流之后，繼續(xù)流動(dòng)到爐外石英管31室溫段的部分，在該室溫段生成納米材料，例如，納米線。
[0075]如果采用三溫段管式爐，那么，被載氣承載的升華氣體分子的氣流首先要經(jīng)過管式爐的爐腔312的高溫區(qū)被加熱，然后通過小孔通道區(qū)域311，氣流被小孔通道區(qū)域311的小孔通道3111-3115分成若干股氣流之后，繼續(xù)流向三溫段管式爐的中溫段和低溫段部分，然后流動(dòng)到爐外石英管31室溫段的部分，在該室溫段生成納米材料。
[0076]本實(shí)施例中，由于小孔通道區(qū)域的孔徑變小，通道增多，氣體分子在小孔內(nèi)的流速增大，因此氣體停留在小孔通道區(qū)域的幾率變小，如此可以促使大部分的氣體分子迅速通過該區(qū)域，到達(dá)爐外的室溫區(qū)域，從而可以生長出更多的納米線。另外，小孔通道越多，氣體分子的流速越快，流動(dòng)到室溫區(qū)的氣體分子越均勻，由此，氣體分子可以布滿整個(gè)石英管的室溫區(qū)域，并在室溫區(qū)域的管內(nèi)各個(gè)地方都生長出納米材料。小孔通道區(qū)域的設(shè)計(jì)，使得納米材料的生長過程具有更強(qiáng)的調(diào)控作用，能夠達(dá)到量產(chǎn)的需求。
[0077]實(shí)施例四
[0078]為了加快升華的原料氣體分子的流速，并且使其迅速降到室溫進(jìn)行生長，在實(shí)施例一和實(shí)施例二的基礎(chǔ)上，還可以對(duì)石英管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做下述的改進(jìn)。在該實(shí)施例中，可以從石英管的外壁引入氣流，對(duì)加熱原料升華的氣體分子進(jìn)行作用。
[0079]圖4a為具有引流通道區(qū)域的石英管在單溫段管式爐中的的結(jié)構(gòu)示意圖，參見圖4a，在石英管41的進(jìn)氣端與出氣端的中間部分，設(shè)置一個(gè)引流通道區(qū)域411。優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，不同位置的石英管，其外徑尺寸不同，參見圖4a，石英管41在管式爐42內(nèi)部的部分(簡稱第一部分)，以及，石英管41的引流通道區(qū)域411部分(簡稱第二部分)，其外徑大于石英管41的其他部分的外徑。優(yōu)選地，石英管41上述第一和第二部分的外徑為50mm，內(nèi)徑為32mm ;其他部分的外徑為40mm,內(nèi)徑為32mm,石英管總長為1800mm。優(yōu)選地,在單溫段管式爐中，石英管41的引流通道區(qū)域411的起始端位于管式爐32內(nèi)部，結(jié)束端位于管式爐42外部。優(yōu)選地，引流通道區(qū)域411初始端位于管式爐42的加熱區(qū)，具體地，引流通道區(qū)域411起始端距離管式爐42中心70mm處。在三溫段管式爐中，石英管41的引流通道區(qū)域411的起始端位于管式爐的高溫區(qū)，具體地，引流通道區(qū)域411起始端距離管式爐高溫區(qū)中心70mm處。
[0080]在該實(shí)施例中，從石英管41外壁引入的多股進(jìn)氣流，該多股進(jìn)氣流不經(jīng)過管式爐42的爐腔加熱區(qū)，而是從石英管41在管式爐42的外部的管壁進(jìn)入，并通過管壁中開設(shè)的氣流通道流動(dòng)到石英管內(nèi)部，從而能夠和管式爐42的爐腔加熱區(qū)流過來的氣流進(jìn)行作用，最后再從石英管41的出氣端流出。
[0081]參見圖4a，在石英管41的外壁開設(shè)若干個(gè)引流通道4112，4113，該些引流通道的入口開設(shè)于石英管管壁外部，出口開設(shè)在石英管內(nèi)部，通道可以設(shè)計(jì)為管狀結(jié)構(gòu)，管壁外部的通道入口一端略伸出石英管外壁且垂直于外壁設(shè)置，直至石英管內(nèi)外壁中間，然后90度折向石英管管壁水平方向，且向與加熱升華氣流方向相反的方向朝石英管管壁內(nèi)部延伸，到達(dá)石英管41在管式爐42爐腔內(nèi)部之后，該通道再次彎折成U型，從而使U型部分在石英管腔體內(nèi)的端口，即通道出口，其方向朝向氣流出口方向。優(yōu)選地，該引流通道的U型部分全部位于管式爐42爐腔內(nèi)部。
[0082]同時(shí)，在石英管41引流通道區(qū)域411的軸心位置，開設(shè)一個(gè)水平方向供升華的原料氣體分子流出的小孔通道4111，該小孔通道的入口位于引流通道區(qū)域411的起始端面的圓心，該通道的出口位于上述引流通道區(qū)域411的引流通道出口附近位置，優(yōu)選地，小孔通道4116的出口在水平的氣流流出方向上的位置，略超前于所述引流通道的出口的位置。這種空間位置設(shè)計(jì)，可以使得從引流通道區(qū)域411引入的氣流更好地作用于小孔通道4111流出的升華的原料氣體分子的氣流。
[0083]圖4b為4通道的引流通道區(qū)域在2-2處的豎直方向剖面圖；圖4c為4通道的引流通道區(qū)域在3-3處的豎直方向剖面圖；圖4d為4通道的引流通道區(qū)域在4-4處的豎直方向剖面圖。引流通道的個(gè)數(shù)為多個(gè)，優(yōu)選為大于等于4個(gè)。圖4d中的孔al，bl，cl，dl示出了引流通道4112-4115的通道入口以及垂直于石英管41管壁部分的位置和形狀；圖4c中的孔a2，b2, c2, d2示出了引流通道4112-4115平行于石英管41的管壁部分的截面形狀。圖4b示出了引流通道4112-4115與原料氣體分子流經(jīng)的小孔通道匯合處的U型部分的截面形狀，參見圖4b，引流通道4112-4115出口分布于原料氣體分子氣流通道出口的周圍，即小孔通道4111的周圍，例如，上下左右，優(yōu)選地，該多個(gè)引流通道4112-4115的出氣口距離供原料氣體分子通過的小孔通道的出氣口在豎直方向上的距離為10mm。其中，孔E為升華的原料氣體分子流經(jīng)的小孔通道4111截面；圖4b中的孔a3，b3，c3, d3與圖4c中的a2，b2，c2, d2相同，為引流通道4112-4115在石英管41的管壁上的截面形狀，流到該位置的氣流方向與升華的氣體分子的流向相反；孔A3，B3, C3, D3是引流通道在出口附近的截面形狀，流到該位置的氣流方向與升華的氣體分子的流向相同。優(yōu)選地，引流通道中的每個(gè)通道4112-4115的內(nèi)徑為5mm，外徑是10mm。引流通道4112-4115垂直于石英管41的部分的長度是100mm，引流通道4112-4115平行于石英管41的部分長度為260mm。
[0084]另外，為了減少從石英管外壁引入多股氣流的復(fù)雜度以及增加引入氣流的均勻度，引流通道與石英管平行的部分的入口和/或出口可以設(shè)計(jì)為環(huán)狀，也可以設(shè)計(jì)為入口是環(huán)形，出口是管型；或入口是管型，出口是環(huán)形，等等。垂直于石英管41外壁的通道入口可以為一個(gè)或多個(gè)，仍然開設(shè)在石英管外壁上，入口一端略伸出石英管外壁且垂直于外壁設(shè)置，圖4e為環(huán)狀入口的引流通道的剖面圖，參見圖4e，該引流通道4116在石英管內(nèi)壁和外壁中間的部分是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，該環(huán)形結(jié)構(gòu)部分與加熱升華氣流方向相反。圖4f為管狀入口，環(huán)狀出口的引流通道的剖面圖，參見圖4f，該引流通道4117的U型部分末端，即通道出口部分，設(shè)計(jì)成環(huán)形，環(huán)形中央的小孔4111是升華的氣體分子流通的小孔通道。
[0085]在本實(shí)施例中，由于在石英管41中增加了引流通道區(qū)域，外部氣流從引流通道4112-4115的入口被引入，然后沿與石英管41平行的管壁上開設(shè)的引流通道流動(dòng)到石英管41在爐腔內(nèi)部的區(qū)域，然后再沿U型通道折返，最后從引流通道的出口流出。同時(shí)，升華的原料氣體分子通過小孔通道4111的出口流出，與引流通道4112-4115的氣流匯合，引流通道4112-4115流入的氣流加速了原料氣體分子氣流的流速，使其能夠快速流向石英管41的室溫段，生長成納米材料。并且，由于引流通道進(jìn)來的氣流的溫度是室溫溫度，在和原料氣體分子的氣流匯合后，迅速降低了該氣流的溫度，減少了原料氣體分子結(jié)成晶體的可能性，提聞了納米材料的廣量。
[0086]上述四個(gè)實(shí)施例均可以實(shí)現(xiàn)納米材料的制備，可以根據(jù)不同需求采用不同的實(shí)施方式，例如，如果只需要得到100納米的一個(gè)薄膜，或少量納米線，則可以使用實(shí)施例一或二的方案；如果需要得到大量的納米線和納米薄膜，或者需要長時(shí)間制備納米線或納米薄膜，則可以采用實(shí)施例三或四。同時(shí)，但不限于，本發(fā)明的裝置及方法還可以用于無機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備。
[0087]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的有機(jī)氣相沉積裝置，可以如前所述采用石英材質(zhì)，也可以使用諸如玻璃、高溫陶瓷、不銹鋼等其它材質(zhì)。
[0088] 以上所述僅是本發(fā)明的示范性實(shí)施方式，而非用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求確定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于半導(dǎo)體納米材料制備的石英管，其特征在于， 所述石英管包括:加熱區(qū)以及生長區(qū)； 所述半導(dǎo)體納米材料的制備原料放置于所述石英管的加熱區(qū)內(nèi)，所述制備原料在高溫升華后，其升華的原料氣體分子流動(dòng)到所述生長區(qū)，生成納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英管，其特征在于， 所述半導(dǎo)體納米材料的制備原料放置在所述石英管內(nèi)的石英舟上，所述石英舟的上方蓋有石英蓋，所述石英蓋上開設(shè)一個(gè)或多個(gè)小孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英管，其特征在于， 所述石英管還包括小孔通道區(qū)域，所述小孔通道區(qū)域包括多個(gè)小孔通道，所述升華的原料氣體分子經(jīng)過所述小孔通道，流動(dòng)到所述石英管的生長區(qū)，所述小孔通道個(gè)數(shù)大于或等于I個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英管，其特征在于， 所述石英管還包括引流通道區(qū)域，所述引流通道區(qū)域設(shè)置有供所述升華的原料氣體分子通過的小孔通道，以及引入外部氣流的引流通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石英管，其特征在于， 所述引流通道的入口開設(shè)于所述石英管的生長區(qū)的外壁上，外部氣流經(jīng)所述石英管管壁進(jìn)入到所述石英管內(nèi)部。所述引流通道經(jīng)過所述石英管管壁的部分為，平行于所述石英管的具有一定長度的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石英管，其特征在于， 所述引流通道為4個(gè)管狀結(jié)構(gòu)，所述引流通道的出口分別分布于所述小孔通道的上下左右，呈十字排列；或所述引流通道為多個(gè)，其出口分布于所述小孔通道的附近。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的石英管，其特征在于， 所述引流通道的出口為，以所述小孔通道為軸心的具有一定長度的環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述小孔通道的出口在氣流水平流動(dòng)方向上的位置，略超前于所述引流通道的出口的位置。
8.一種半導(dǎo)體納米材料的制備設(shè)備，其特征在于，包括權(quán)利要求1-7所述的石英管，管式爐，以及氣流控制裝置， 所述管式爐包括爐腔，以及包裹在爐外壁的隔熱材料層； 所述石英管包括加熱區(qū)和生長區(qū)，放置半導(dǎo)體納米材料的加熱區(qū)位于所述管式爐內(nèi)部，所述石英管的生長區(qū)位于管式爐外部； 所述石英管包括進(jìn)氣端和出氣端，所述氣流控制裝置控制輸入的載氣從所述石英管的進(jìn)氣端進(jìn)入，引導(dǎo)所述石英管內(nèi)高溫升華的原料氣體分子流動(dòng)到所述石英管的生長區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備設(shè)備，其特征在于，所述管式爐為三溫段管式爐，該三溫段管式爐沿氣流流動(dòng)方向分別設(shè)有高溫段，中溫段和低溫段；在高溫段與中溫段之間，中溫段與低溫段之間，分別設(shè)置有絕熱材料層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備設(shè)備，其特征在于，所述氣流控制裝置包括:氣體流量計(jì)，用于控制氣體的流速。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備設(shè)備，其特征在于，所述氣流控制裝置包括:精密針型閥以及氣體流量計(jì)，在真空環(huán)境中，所述精密針型閥以及氣體流量計(jì)精確控制氣體的流量。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的制備設(shè)備，其特征在于，所述氣流控制裝置還包括， 真空泵，用于對(duì)所述石英管的腔體抽真空； 真空計(jì)，用于測量所述石英管腔體內(nèi)的真空度； 截止閥，用于保護(hù)真空計(jì)等。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備設(shè)備，其特征在于， 在所述石英管的生長區(qū)的外部的預(yù)定位置，設(shè)置有可產(chǎn)生不同電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度和/或電磁波頻率的裝置。在石英管生長區(qū)的橫向及縱向調(diào)控納米材料的生長。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備設(shè)備，其特征在于， 所述小孔通道區(qū)域位于所述石英管在所述管式爐加熱中心的一側(cè)，該側(cè)靠近氣流出口方向，所述小孔通道區(qū)域的起始端位于距離所述管式爐內(nèi)部加熱中心70_，結(jié)束端位于所述管式爐氣流出口方向。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備設(shè)備，其特征在于， 所述引流通道的起始端位于所述管式爐加熱中心的一側(cè)，該側(cè)靠近氣流出口方向。
16.根據(jù)權(quán)利 要求8所述的制備設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備不僅用于有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備，還可用于無機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備。
17.一種半導(dǎo)體納米材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 將半導(dǎo)體納米材料的原料放入加熱區(qū)； 對(duì)所述加熱區(qū)進(jìn)行加熱； 通過運(yùn)載氣體，將高溫升華后的原料氣體分子引導(dǎo)至室溫生長區(qū)生長納米材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的制備方法，其特征在于， 將半導(dǎo)體納米材料的原料放入石英管的加熱區(qū)； 將所述石英管放入管式爐中加熱； 通過運(yùn)載氣體，將高溫升華后的原料氣體分子引導(dǎo)至所述石英管的生長區(qū)生長納米材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的制備方法，其特征在于，將所述半導(dǎo)體納米材料的原料放入石英舟內(nèi)，將帶有一個(gè)或多個(gè)小孔的石英蓋蓋在所述石英舟上，將蓋有石英蓋的石英舟放入所述石英管的加熱區(qū)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的制備方法，其特征在于，該方法不僅用于有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備，還可用于無機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備。
【文檔編號(hào)】C23C16/448GK104073779SQ201410279763
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】王海, 羅金龍, 紀(jì)小林, 鄒濤隅 申請(qǐng)人:昆明學(xué)院