一种生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米线结构及其制备方法

摘要

一种生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米线结构及其制备方法。该结构是依附在玻璃衬底上的、呈周期性图形的ZnO纳米线，纳米线的直径和长度分别为50～100nm和0.5～1μm，每个周期的纳米线长度为400μm。该结构是在较低的温度和常压的条件下，用热蒸发工艺将ZnO通过覆盖在玻璃衬底表面的带周期性空洞的模板的周期性空洞，生长在玻璃衬底表面上的。有以下优点：衬底是导电玻璃，为实现平板显示器的全玻璃封装铺平了道路；生长温度低，最高只需要500℃，降低了对设备的要求；生长时间短，只需15～30min，节约了能源；压力只需是常压；对载气的要求不高，只需氩气，且流量低；方法简单，成本低，大面积生长，重复性好；借助带有周期性空洞的模板实现图形化生长。

说明书

                          技术领域

本发明涉及一种生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米线结构及其制备方法，具体涉及一种利用热蒸发，在没有催化剂的条件下，在玻璃衬底上大面积生长图形化ZnO纳米线结构及其制备方法，属于光电子材料、半导体材料与器件及其制备的技术领域。

                          技术背景

ZnO是一种宽禁带半导体材料，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ZnO纳米结构。由于一维纳米结构(如纳米管，纳米线等)有较大的长径比和小的曲线半径，在较小的电场下可以获得较大的场发射电流密度，因此它们将会成为理想的阴极材料。但是这些阴极材料都不是依附在玻璃衬底上的。随着信息技术的发展，人们对显示器的要求不断提高，特别是对场发射平板显示器的需求日益增加。上述的阴极材料使平板显示器不能实现全玻璃封装。

                          发明内容

本发明的第一个目的是提出一种生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米线结构，其特征在于，该结构是依附在玻璃衬底上的、呈周期性图形的ZnO纳米线，该纳米线的直径和长度分别为50～100nm和0.5～1μm，每个周期的ZnO纳米线长度为400μm。该结构的优点是：具有优良的场发射性能，其开启电压和阈值电压都比较低，电流密度大而稳定；纳米线结构的重复性好，生长密度大；ZnO纳米线与玻璃衬底的依附牢固，适于作平板显示器的阴极材料，为实现平板显示器的全玻璃封装铺平了道路。

本发明的第二个目的是提供制备所述的图形化ZnO纳米线结构的方法。为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：在较低的温度和常压的条件下，用热蒸发工艺将ZnO通过覆盖在玻璃衬底表面的带周期性空洞的模板的周期性空洞，在玻璃衬底表面上生长图形化ZnO纳米线结构。

现详细说明本发明的技术方案。一种制备生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米线结构的方法，其特征在于，具体操作步骤：

第一步在玻璃衬底上覆盖一片带有周期性空洞的模板，玻璃衬底是ITO导电玻璃，模板是铁镍合金片；

第二步将水平放置的管式生长炉以20℃/min的速率加热到450℃～500℃；

第三步将ZnO粉、石墨粉和Zn粉充分混和作为蒸发源放入石英舟中，ZnO粉∶石墨粉∶Zn粉的重量比为10∶10∶1；

第四步把石英舟放到经第二步预热好的管式生长炉的中部，再把经第一步处理的玻璃衬底放在管式生长炉中的距离蒸发源10cm处，收集反应产物；

第五步向管式生长炉通入流量为0.5L/min的载气Ar，常压下反应15～30min；

第六步从管式生长炉取出石英舟和玻璃衬底，卸掉模板，玻璃衬底的表面上生长有一层与模板的周期性空洞的图形相同的图形的ZnO纳米颗粒薄膜，制得中间产物—生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米颗粒薄膜；(本步的中间产物的SEM图如图1(a)所示。)

第七步以第六步的中间产物作为衬底，对该产物重复执行第一～六步的操作，玻璃衬底的表面上生长有一层与模板的周期性空洞的图形相同的图形的、致密的ZnO纳米线薄膜，制得产物—生长在玻璃衬底上的图形化的ZnO纳米线结构。(本步的产物的SEM图如图1(b)所示。)

在电镜下可看到所述的产物的玻璃衬底上的图形化ZnO纳米线结构。见图1(c)和图1(d)。

本发明的技术方案的进一步特征在于，第二步中，管式生长炉是一根内径和长度分别为16cm和140cm的石英管；第三步中，载气通入第二步所述的石英管。

与背景技术相比，本发明具有以下的突出优点：

1、本发明采用的衬底是导电玻璃，而不是硅衬底，为实现平板显示器的全玻璃封装铺平了道路；

2、生长温度低，最高只需要500℃，降低了对设备的要求；

3、生长时间短，只需15～30min，节约了能源；

4、压力只需是常压；

5、对载气的要求不高，只需氩气，且流量低；

6、方法简单，成本低，大面积生长，重复性好；

7、借助带有周期性空洞的模板实现图形化生长。

                          附图说明

图1(a)中间产物—生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米颗粒薄膜的放大SEM图；(b)产物—生长在玻璃衬底上的图形化的ZnO纳米线结构的放大SEM图；(c)ZnO纳米线的TEM图；(d)图形化的纳米ZnO线结构的阵列。

图2(a)产物—生长在玻璃衬底上的图形化的ZnO纳米线结构的EDX图；(b)ZnO纳米线结构的侧面图；(c)玻璃衬底的EDX。

图3玻璃衬底上生长图形化ZnO纳米线的操作步骤示意简图。其中，(a)、(b)、(c)和(d)分别与制备图形化ZnO纳米线的方法的操作步骤中的玻璃衬底、第一步、第六步和第七步相对应。

图4图形化ZnO纳米线的场发射电流密度和场强的关系。

                        具体实施方式

实施例1：制备生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米线结构的方法，具体操作步骤：

第一步在玻璃衬底上覆盖一片带有周期性空洞的模板，玻璃衬底是ITO导电玻璃，模板是铁镍合金片；

第二步将水平放置的管式生长炉以20℃/min的速率加热到500℃；

第三步将10g ZnO粉、10g石墨粉和1g Zn粉充分混和作为蒸发源放入石英舟；

第四步把石英舟放到经第二步预热好的管式生长炉的中部，再把经第一步处理的玻璃衬底放在管式生长炉中的距离蒸发源10cm处，收集反应产物；

第五步向管式生长炉通入流量为0.5L/min的载气Ar，常压下反应30min；

第六步从管式生长炉取出石英舟和玻璃衬底，卸掉模板，玻璃衬底的表面上生长有一层与模板的周期性空洞的图形相同的图形的ZnO纳米颗粒薄膜，制得中间产物—生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米颗粒薄膜；

第七步以第六步的中间产物作为衬底，对该产物重复执行第一～六步的操作，玻璃衬底的表面上生长有一层与模板的周期性空洞的图形相同的图形的、致密的ZnO纳米线薄膜，制得产物—生长在玻璃衬底上的图形化的ZnO纳米线结构。

实施例2：制备生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米线结构的方法，除以下不同外，其余操作与实施例1完全相同：第二步中，管式生长炉是一根内径和长度分别为16cm和140cm的石英管。

实施例3：制备生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米线结构的方法，除以下不同外，其余操作与实施例2完全相同：第二步中，石英管加热到450℃；第五步中，反应15min。

本发明的生长在玻璃衬底上的图形化ZnO纳米线结构特别适于用来作全玻璃封装的平板显示器的阴极材料。