CN100535201C - 一种制备纳米材料的真空管式设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备纳米材料的真空管式设备，它包括密封的真空室(2)，所述真空室(2)设置在炉体(1)内，真空室(2)内气流下游处设置有衬底(7)，其特征是：该真空室(2)连接有至少一个能控制和调节源材料蒸发速率的源材料蒸发器(16)。本发明采用控制源组分通量技术，可实现组分的精确控制、梯度掺杂和衬底的原位操作等功能；全***由计算机控制，因此自动化程度高、控制精度高、数据的准确性强；该设备还具有设备简单、结构紧凑、操作简便、使用费用低等、生产效率高、节约能源优点。

Description

一种制备纳米材料的真空管式设备

技术领域

本发明涉及一种制备纳米材料的设备，特别涉及一种制备纳米材料的真空管式设备。

背景技术

纳米线、纳米薄膜可以通过多种方法合成，其中气相生长法是最主要的方法。气相生长的原理是将源材料通过升华、蒸发、分解等过程转化为气态，然后在适当的条件下使它成为过饱和蒸气，经过冷凝结晶而生长出晶体。用这种方法生长的晶体纯度高，完整性好。由于晶体生长的流体相(气相)分子密度很低，气相与固相的比容相差很大，使得从气相中生长晶体的速率要比从熔体或溶液中生长的速率都要低许多，所以这种方法目前主要是用来生长晶须以及厚度大约在几个微米到几百微米的薄膜，即通常所说的气相外延技术。这是目前气相法中最重要也是发展最为迅速的一个领域。

在物理气相沉积法中，热蒸发法是最常用的生长方法。常用的做法是，利用真空管式炉，把单源材料，或混合的源材料放置在真空炉中的某一位置进行蒸发，蒸发出的材料原子或原子团族在载气的输送下，在一定的金属催化剂作用下，按照VLS(vapor-liquid-solid)机制，经过气相沉积自组织过程形成一维纳米线。热蒸发法是物理气相沉积法(PVD)之一，热蒸发法具有设备简单、操作简便、使用费用低等优点，还具有较高的沉积速度，相对较高的真空度，以及由此导致的较高晶体质量等特点，因此蒸发法受到了较大程度的重视。但是这种方法也有其明显的局限性。如，上述的单源蒸发技术可以应用于元素，或均匀升华的化合物，或者组分的蒸气压比较接近的那些材料。而不能应用于组分的蒸气压具有很大差别的那些化合物的蒸发，因为比较容易挥发的组元早在任何可观数量的另一组元输运到以前，就几乎可以全部蒸发掉，在这种情况下，最终会使沉积膜分层，或在成分上出现梯度，即使能达到稳态，其成分也会与初始原料有很大的差别。因此，目前的热蒸发管式炉技术不能有效解决这一问题，要想对这类化合物采用真空蒸发技术，目前的方法是：采用连续投料瞬时蒸发技术，尽管这一技术对于克服组分元素的蒸气压有很大差异的化合物晶体生长有一定的作用，但效果仍然不尽人意，仍不能较精确控制生长材料的成分。

分子束外延(MBE)是在真空蒸发的基础上发展起来的一种外延技术。它主要包括：超真空***；分子束、样品架和样品传递***；四极质谱仪；单晶薄膜表面的检测***。主要优点是：生长温度低，具有很低的生长速率；生长条件可精确控制，在分子束外延装置中，配备有分子束蒸发源，膜的组分和掺杂浓度可随蒸发源的变化而得到迅速的调整。但是，分子束外延技术的缺点是：设备复杂，价格昂贵，使用时要消耗大量液氮，而且晶体生长速度非常缓慢。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种制备纳米材料的真空管式设备，该多源注入真空管式设备能分别控制各源材料的蒸发速率，最终提高管式炉生长材料的成分控制精度。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：它包括密封的真空室(2)，所述真空室(2)设置在炉体(1)内，所述真空室(2)设有用于输送源材料蒸气的载气(11)和用于与源材料蒸气反应的载气(12)，真空室(2)内气流下游处设置有衬底(7)，该真空室(2)连接有至少一个能控制和调节源材料蒸发速率的源材料蒸发器(16)。

所述源材料蒸发器(16)包括端盖(20)、导线(21)、套筒(22)、密封材料(25)、蒸发套(26)、电热丝(27)；所述套筒(22)的一端***所述蒸发套(26)中，套筒(22)的另一端连接端盖(20)，导线(21)穿过端盖(20)和套筒(22)与蒸发套(26)内的电热丝(27)相连，在所述蒸发套(26)上设有圆形开口(28)。

所述源材料蒸发器(16)连接在真空室(2)沿气流方向的一端。

所述源材料蒸发器(16)通过密封端头(3)与真空室(2)连接。

为了在晶体生长的同时，对衬底进行原位操作，所述真空室(2)的另一端设有磁用推杆(5)。

所述磁用推杆(5)通过密封端头(3)连入真空室(2)。

所述密封端头(3)连有冷却水***(10)。

所述密封端头(3)与真空室(2)之间设有O型密封圈(9)。

所述真空室(2)沿气流方向的一端连接有载气***(11、12)。

所述真空室(2)设有热电偶(17)。

本发明的有益效果是：

本发明在管式设备上安装有源材料蒸发器，分别控制各源材料的蒸发速率，最终提高管式炉生长材料的成分控制精度；在管式炉上增设磁力推杆，在晶体生长的同时，可对衬底进行原位操作。本发明采用控制源组分通量技术，可实现组分的精确控制、梯度掺杂和衬底的原位操作等功能；全***由计算机控制，因此自动化程度高、控制精度高、数据的准确性强；该设备还具有设备简单、结构紧凑、操作简便、使用费用低等、生产效率高、节约能源优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明源材料蒸发器16的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明整个纳米材料生长过程在真空室内进行，为了分别控制各源材料的蒸发速率，最终提高管式炉生长材料的成分控制精度，在真空室2一端设有至少一个能控制和调节源材料蒸发速率的源材料蒸发器16。所述真空室2设置在炉体1内，在炉体1内设有加热体8，所述炉体1连接有炉体加热电源15，所述真空室2设有热电偶17，用于测量炉内温度。由于源材料蒸发时产生很高的温度，在所述密封端头3连有冷却水***10。在真空室2内气流下游处设置有衬底7，用于接收生长的纳米材料；真空室2的两端由密封端头3密封，密封端头3与真空室2之间设有O型密封圈9，真空室2还连接有用于抽气的真空***6。为了使蒸发的源材料输送到衬底7上，所述真空室2连接有载气***11、12；为了在晶体生长的同时，对衬底进行原位操作，所述真空室2的另一端设有磁用推杆5。

如图2所示，所述源材料蒸发器16包括端盖20、导线21、套筒22、密封材料25、蒸发套26、电热丝27；所述套筒22的一端***所述蒸发套26中，套筒22的另一端连接端盖20，导线21穿过端盖20和套筒22与蒸发套26内的电热丝27相连，在所述蒸发套26设有圆形开口28。螺母18密封垫圈19与螺母24、密封垫圈23将源材料蒸发器16固定在密封端头3上并与真空室2相连。

实施例1：生长ZnCdO纳米线

生长过程如下：

整个纳米村料生长过程在真空室(石英管)内进行，纳米村料生长前，先把源材料Zn、Cd金属粉末分别放置在源材料蒸发器16内，衬底7被放置在石英管内气流下游处。启动冷却水***10、真空***6，使真空室(石英管)中真空度不低于5×10^-3Pa。根据设定的温度梯度，启动炉体1加热电源15，使衬底7处的温度达到～500℃，并符合工艺要求，若不适合，可使用磁力推杆5对衬底7的位置进行调整。依据工艺，开启源材料蒸发器电源14，分别控制和调节每一组元的蒸发速率，使组分源按照一定的流量进入真空室2(石英管)内，各源材料加热温度分别控制在熔点+50℃的温度范围内，即Zn(熔点为419℃)的温度约为469℃，Cd(熔点为321℃)的温度为371℃。开启载气***11输出载气1，载气1为高纯氩气，纯度为99.9％，载气1以5～10sccm(sccm为cm³/min)的流量进入石英管内，在载气1的输送下到达衬底上方。开启载气***12，输出载气2(反应气体，如高纯度氧气，纯度为99.99％)，使其以2～5sccm的流量进入真空室2(石英管)内，在载气2作用下ZnCdO纳米线在硅衬底结晶。生长结束后，关闭电源，打开真空室，取出样品即可对样品进行观察和测试。

本发明可根据需要生长ZnO及各种ZnO基化合物半导体纳米材料，如ZnO、ZnS、ZnMnO和ZnMgO等半导体纳米材料。

本发明生长的纳米材料与现有技术生长的生长具有以下优点：

1.成份精度高；

2.纳米材料的晶体质量高，缺陷少；

实施例2：生长ZnMgO纳米线

生长ZnMgO纳米线与生长ZnCdO纳米线的生长过程基本相似，本实施例蒸发温度为Zn(熔点为419℃)的温度约为469℃，Mg(熔点为：649℃)的温度为699℃。

Claims (10)

1、一种制备纳米材料的真空管式设备，它包括密封的真空室(2)，所述真空室(2)设置在炉体(1)内，所述真空室(2)设有用于输送源材料蒸气的载气(11)和用于与源材料蒸气反应的载气(12)，真空室(2)内气流下游处设置有衬底(7)，其特征是：该真空室(2)连接有至少一个能控制和调节源材料蒸发速率的源材料蒸发器(16)。

2、根据权利要求1所述的制备纳米材料的真空管式设备，其特征是：所述源材料蒸发器(16)包括端盖(20)、导线(21)、套筒(22)、密封材料(25)、蒸发套(26)、电热丝(27)；所述套筒(22)的一端***所述蒸发套(26)中，套筒(22)的另一端连接端盖(20)，导线(21)穿过端盖(20)和套筒(22)与蒸发套(26)内的电热丝(27)相连，在所述蒸发套(26)上设有圆形开口(28)。

3、根据权利要求1或2所述的制备纳米材料的真空管式设备，其特征是：所述源材料蒸发器(16)连接在真空室(2)沿气流方向的一端。

4、根据权利要求3所述的制备纳米材料的真空管式设备，其特征是：所述源材料蒸发器(16)通过密封端头(3)与真空室(2)连接。

5、根据权利要求1、2或4所述的制备纳米材料的真空管式设备，其特征是：所述真空室(2)设有磁力推杆(5)。

6、根据权利要求3所述的制备纳米材料的真空管式设备，其特征是：所述真空室(2)设有磁力推杆(5)。

7、根据权利要求5所述的制备纳米材料的真空管式设备，其特征是：所述磁用推杆(5)通过密封端头(3)连入真空室(2)。

8、根据权利要求4或7所述的制备纳米材料的真空管式设备，其特征是：所述密封端头(3)连有冷却水***(10)。

9、根据权利要求8所述的制备纳米材料的真空管式设备，其特征是：所述密封端头(3)与真空室(2)之间设有O型密封圈(9)。

10、根据权利要求1所述的制备纳米材料的真空管式设备，其特征是：所述真空室(2)设有热电偶(17)。

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