[发明专利]一种树状分形结构的宏观ZnO单晶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种树状分形结构的宏观ZnO单晶材料及其制备方法，属于半导体光电子材料与器件的技术领域。

技术背景

近年来，由于ZnO结构材料具有优异的光学、电学和压电特性，所以对其的研究受到了世界范围的高度关注。作为宽禁带半导体的ZnO结构材料，目前已广泛用于传感器、功率器件、紫外发光二极管、太阳能电池。在国际、国内材料科学工作者的不懈努力下，现今已经能够用多种方法(如分子束外延、脉冲激光沉积、磁控溅射、溶胶-凝胶法、热蒸发法、金属有机化学气相沉积法等)制备出多种ZnO结构材料，其中包括具有“杆”、“线”、“带”、“环”、“梳”等形貌特征的ZnO纳米结构材料。但是目前所报道这些结构长度上都是在纳米或微米级上，应用工艺较简单的热蒸发法制备宏观结构的ZnO材料的报道却很少见。王中林教授课题组曾报道过a-Fe₂O₃的树状分形纳米结构(Minhua Cao，etal.Single-Crystal Dendritic Micro-Pines of Magnetic a-Fe₂O₃：Large-Scale Synthesis，Formation Mechanism，and Properties，Angrew.Chem.int.Ed.2005.44，2-6)，但目前并没有关于树状分形结构的宏观ZnO单晶材料的报道。

发明内容

本发明的一个目的是推出一种树状分形结构的宏观ZnO单晶材料。该材料是依附在衬底上的长度和宽度分别为5mm～25mm和1～10mm的树状分形结构的宏观ZnO单晶结构。

本发明的另一个目的是提供一种所述的材料的制备方法。为实现以上目的，本发明采用以下的技术方案。以商品的ZnO粉、石墨粉和铜粉做原料，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树状分形结构的宏观ZnO单晶材料，该材料以独立形式依附在衬底的表面。

现详细说明本发明的技术方案。一种树状分形结构的宏观ZnO单晶材料的制备方法，其特征在于，具体操作步骤：

第一步超声清洗衬底并凉干；

第二步将水平管式生长炉的温度升至900～950℃；

第三步向炉内充入N₂，流量为0.8～2L/min；

第四步将生长源ZnO粉、石墨粉和纯铜粉混匀后置于石英舟上，将已凉干的衬底置于衬底架上，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，ZnO粉、石墨粉和纯铜粉的纯度分别为99.99％、99％和99.999％，ZnO粉∶石墨粉∶纯铜粉的质量比为1∶1～2∶0.2～1，衬底架与生长源ZnO粉、石墨粉和纯铜粉的距离为1～3cm；

第五步保持管内温度，在衬底上生长树状分形结构的ZnO材料，时间为60～90min；

第六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，得到生长在衬底表面的树状分形结构的宏观ZnO单晶材料。

本发明的技术方案的进一步特征在于，所述的衬底是p型单晶硅片、n型单晶硅片或沉积有铜膜的多孔硅片。

本发明的技术方案的进一步特征在于，混匀生长源ZnO粉、石墨粉和纯铜粉的粉末的方法是将选定质量比ZnO粉、石墨粉和纯铜粉混合，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。

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O₂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树状分形结构的宏观ZnO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。

附图说明

图1是树状分形结构的宏观ZnO单晶材料的X射线衍射图。

图2是树状分形结构的宏观ZnO单晶材料的低倍SEM照片。

图3是树状分形结构的宏观ZnO单晶材料的中倍SEM照片。

图4是分离出的单根树状分形结构的宏观ZnO单晶材料的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树状分形结构的宏观ZnO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。