专利名称：一种杆状ZnO单晶材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种超长杆状ZnO单晶材料及其制备方法，具体涉及一种长度是 厘米级的ZnO杆状结构的制备所用的热蒸发方法，属于半导体光电子材料与器件 的制备技术领域。技术背景ZnO是一种宽禁带半导体，并且具有较大的激子束缚能，在光电子器件中有 很大的应用前景，因此引起了全世界范围的广泛关注。人们利用各种方法(溶液 法，分子束外延，脉冲激光沉积，金属有机物化学气相沉积等)制备出了不同的 Zn0纳米结构，例如纳米线，纳米带，纳米钉，纳米环，纳米弹簧，纳米梳等。 在这些结构中，杆状结构由于其自身的单晶性好缺陷少的特点有利于制造各种纳 米电子器件，因此人们对它产生了浓厚的兴趣。目前很多研究小组已经用不同的 方法制备出各种杆状结构(P. X. Gao et al ， Substrate Atomic-Termination-Induced Anisotropic Growth of ZnO Nanowires/Nanorods by the VLS Process, J, Phys. Chem. B 108 (2004) 7534-7537; R. S. Yang et al， Interpenetrative and transverse growth process of self-catalyzed ZnO nanorods, Solid State Comm. 134 (2005) 741-745; Y. Tak et al， Controlled Growth of Well-Aligned ZnO Nanorod Array Using a Novel Solution Method J. Phys. Chem. B 109 (2005) 19263-19269)，并且将这些形貌应用于制备纳米 器件中 (X. D. Wang et al， Large-Scale Hexagonal-Patterned Growth of Aligned ZnO Nanorods for Nano-Optoelectronics and Nanosensor Arrays, Nano Letters 4 (2004) 423-426; K. Takanezawa et al， Efficient Charge Collection With ZnO Nanorod Array in Hybrid Photovoltaic Devices, J. Phys. Chem. C 111 (2007) 7218-7223)。但是之前制备的这些杆状结构，在长度上都是纳米或 是微米级的。 一方面，这种小尺度的结构不容易分离，因此限制了对单个梳杆状结构的应用；另一方面，已经有报导将宏观的碳纳米管纺成纤维制品，制成电缆 和灯丝等，而这种微观尺度的纳米杆状结构因其尺度的限制而不能向宏观的碳纳 米管那样实现一些新的技术上的应用。为了克服上述两个缺点，制备出宏观长度 的ZnO杆状结构是有必要的。发明内容本发明的目的之一在于提供一种超长的杆状ZnO单晶材料。 本发明的另一目的在于提供一种常压下制备超长的杆状Zn0单晶材料的方法。本发明提供的超长杆状Zn0单晶材料长度为0.5mm 15mm，直径为80nm 4000nm的杆状结构的宏观ZnO单晶结构。本发明提供的超长杆状ZnO单晶材料的制备，采用以下的技术方案以ZnO粉、石墨粉和CuO粉做原料，以易得的N2为气源，在水平管式生长 炉中采用热蒸发法在衬底上生长超长的杆状Zn0单晶材料，该材料以独立形式依 附在石英舟表面和衬底上。现详细说明本发明的技术方案。 一种超长的杆状Zn0单晶材料的制备方法， 其特征在于，具体操作步骤第一步，将质量比为3:l:3 10:l:10的ZnO粉末、CuO粉末和石墨粉末，加 入乙醇，超声混合后烘干至粉末状；混匀生长源ZnO粉、石墨粉和CuO粉末的 方法是将选定质量比ZnO粉、石墨粉和氧化铜粉混合，加入适量无水乙醇后搅 拌、超声振动、烘干并研磨，得混匀的生长源粉末。其中ZnO粉、石墨粉和CuO 粉的纯度分别为99.99%、 99%和99.99%;第二步，将水平管式生长炉加热到870。C 95(TC;然后以1.0 2.0L/min的流量充入N2;第三步，将第一步配好的原料放到石英舟上，然后把石英舟放到水平管式炉的中部；在石英舟的下端的lcm 5cm处放置衬底收集生成物；原料作为生长源 置于石英舟上，将衬底置于衬底架上，再将石英舟和衬底架置于已升温的水平管 式生长炉的恒温区内90 180min;衬底架与生长源的距离为1 5cm，衬底是p 型单晶硅片、n型单晶硅片或者石英片。第四步，衬底随水平管式生长炉自然降温至室温，打开水平管式生长炉，取 出衬底，得到生长在石英舟和衬底上超长杆状结构的ZnO单晶材料。本发明所用的水平管式炉，它是由两根半径不同的石英管组成的，大的石英 管长度为140cm，直径为8cm;小的石英管长度为llOcm，直径为4cm。我们把小口径的管子插入大口径管子的底部，试验在小管中进行，并且载气是直接通入到 小口径管子中.本发明的方法的优点1、 本发明的方法只需在常压下，对载气的要求不高，只需要N2就可以，不 需要加02等其他气体，对气流量也不要求严格的控制，简单易行，重复性好， 原料容易得到，制备成本低廉，适于用来制备大面积的ZnO单晶结构。2、 本发明的方法制得的超长的ZnO杆状单晶材料是一种具有独特形貌特征 的ZnO宏观化结构材料，有望在微电子和微电子光电器件等领域获得重要应用。
图l是超长的杆状ZnO单晶材料的X射线衍射图。 图2是超长的杆状ZnO单晶材料的低倍光学照片。 图3是分离出的单根超长的ZnO单晶杆的SEM照片。
具体实施方式
现结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。所有的实施例完全按照 上述的超长的杆状ZnO纳米单晶材料的制备方法的具体操作步骤操作，为使行文 简洁，下列的每个实施例仅罗列关键的技术数据。实施例l:第一步，将质量比为3:1:3的ZnO粉末(纯度99.99%)， Cu0粉末(纯度 99.99%)和石墨粉末(纯度99%)，放入一个烧杯中，倒入适量无水乙醇，然 后将烧杯放到超声器里面超声2 3小时；取出烧杯放入烘箱中烘干，直到混合 物变成干燥的粉末状；第二步，将水平管式生长炉加热到870。C;然后以1.5/min的流量充入N2;第三步，将第一步配好的原料放到石英舟上，然后把石英舟放到水平管式炉的中部；在石英舟的下端的lcm处放置p型单晶硅片作为衬底收集生成物；第四步，衬底随水平管式生长炉自然降温至室温，打开水平管式生长炉，取 出衬底，在硅片衬底和石英舟上面长有大量闪闪发亮的长的羊绒状的物质，对该 物质进行低倍光学拍照分析、X射线衍射图谱分析和SEM拍照分析，经确认生 长在石英舟和衬底上的物质为超长杆状结构的ZnO单晶材料。 实施例2:第一步，将质量比为5:1:5的ZnO粉末(纯度99.99%), Cu0粉末(纯度 99.99%)和石墨粉末(纯度99%),放入一个烧杯中，倒入适量无水乙醇，然 后将烧杯放到超声器里面超声2 3小时；取出烧杯放入烘箱中烘干，直到混合 物变成干燥的粉末状；第二步，将水平管式生长炉加热到卯(TC;然后以2.0/min的流量充入N2;第三步，将第一步配好的原料放到石英舟上，然后把石英舟放到水平管式炉 的中部；在石英舟的下端的5cm处放置n型单晶硅片作为衬底收集生成物；第四步，衬底随水平管式生长炉自然降温至室温，打开水平管式生长炉，取 出衬底，在硅片衬底和石英舟上面长有大量闪闪发亮的长的羊绒状的物质，对该 物质进行低倍光学拍照分析、X射线衍射图谱分析和SEM拍照分析，经确认生 长在石英舟和衬底上的物质为超长杆状结构的ZnO单晶材料。实施例3:第一步，将质量比为10:1:10的Zn0粉末(纯度99.99%)， Cu0粉末(纯 度99.99%)和石墨粉末(纯度99%),放入一个烧杯中，倒入适量无水乙醇， 然后将烧杯放到超声器里面超声2 3小时；取出烧杯放入烘箱中烘干，直到混 合物变成干燥的粉末状；第二步，将水平管式生长炉加热到950'C;然后以1.0/min的流量充入N2;第三步，将第一步配好的原料放到石英舟上，然后把石英舟放到水平管式炉 的中部；在石英舟的下端的2.5cm处放置石英片作为衬底收集生成物；第四步，衬底随水平管式生长炉自然降温至室温，打开水平管式生长炉，取 出衬底，在硅片衬底和石英舟上面长有大量闪闪发亮的长的羊绒状的物质，对该 物质进行低倍光学拍照分析、X射线衍射图谱分析和SEM拍照分析，经确认生 长在石英舟和衬底上的物质为超长杆状结构的ZnO单晶材料。
权利要求
1.一种杆状ZnO单晶材料，其特征在于长度为0.5mm～15mm，直径为80nm～4000nm.
2. —种杆状ZnO单晶材料的制备方法，其特征在于包括以下几个步骤 第一步，将质量比为3:1:3 10:1:10的ZnO粉末、CuO粉末和石墨粉末，加入乙醇，超声混合后烘干至粉末状；第二步，将水平管式生长炉加热到870'C 95(TC;然后以L0 2.0L/min的流量充入N2;第三步，将第一步配好的原料放到石英舟上，然后把石英舟放到水平管式炉 的中部；在石英舟的下端的lcm 5cm处放置衬底收集生成物；第四步，衬底随水平管式生长炉自然降温至室温，打开水平管式生长炉，取 出衬底，得到生长在石英舟和衬底上杆状结构的ZnO单晶材料。
3. 如权利要求2所述的杆状ZnO单晶材料的制备方法，其特征在于衬底是 p型单晶硅片、n型单晶硅片或者石英片。
全文摘要
本发明涉及一种超长杆状ZnO单晶材料及其制备方法，具体涉及一种长度是厘米级的ZnO杆状结构的制备所用的热蒸发方法，属于半导体光电子材料与器件的制备技术领域。本发明提供的超长杆状ZnO单晶材料长度为0.5mm～15mm，直径为80nm～4000nm的杆状结构的宏观ZnO单晶结构。以ZnO粉、石墨粉和CuO粉做原料，以易得的N<sub>2</sub>为气源，在水平管式生长炉中采用热蒸发法在衬底上生长超长的杆状ZnO单晶材料，该材料以独立形式依附在石英舟表面和衬底上。该方法简单易行，重复性好，原料容易得到，制备成本低廉，适于用来制备大面积的ZnO单晶结构。
文档编号C30B29/10GK101220508SQ20071004654
公开日2008年7月16日 申请日期2007年9月27日 优先权日2007年9月27日
发明者崔庆月, 宁 张, 朱自强, 王翠翠, 王青艳, 可 郁, 勇 黄 申请人:华东师范大学