[发明专利]通过化学喷雾热解在基材上制备氧化锌纳米棒的方法

说明书

本申请要求2005年4月14日提交的美国临时申请第60/671232号的优先权，其全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及氧化锌(ZnO)纳米结构(如纳米棒和纳米针)及其制备方法，更具体地，涉及在各种基材上以适宜的基材沉积温度(约400-600℃)，通过化学喷雾热解(CSP)制备包含氧化锌纳米棒或纳米针的高度结构化氧化锌层的方法。

这类纳米棒为高纯度独立单晶。CSP是一种工艺简单的沉积技术，不需要昂贵的设备。从而，相对于可选的方法，本发明提供了一种非常廉价且简单的生产氧化锌纳米结构的方法。

由于具有3.37eV的宽带隙和60meV的大激子结合能，氧化锌成为光电应用中最有希望的材料之一。氧化锌纳米结构还在如太阳能电池、场致发射装置、化学和生物学传感器、光催化剂、发光装置(包括发光二极管和纳米尺度激光器)领域中具有广泛的潜在应用。

背景技术

平坦氧化锌层(即，与包括纳米棒、纳米针、纳米线等结构的层相对)不但广泛用于电子和光电装置，例如作为同时要求高透明度和低电阻的薄膜太阳能电池的透明电极，也应用于薄膜气体传感器、变阻器和表面声波装置中。

平坦氧化锌层可通过包括喷射、化学气相沉积、溶胶凝胶沉积、原子层沉积、分子束外延和不同喷雾热解技术(超声波喷雾、气动喷雾、压力喷雾)的几种技术常规地制备。与其它沉积技术相比，喷雾技术的优点在于其极其简单。从而相对于其它所有技术，高质量金属氧化物半导体薄膜的资本成本和生产成本被期望为最低。此外，该技术还非常适用于大批量生产体系。

化学喷雾热解是一种公知的制备用于电子和光电应用中的金属氧化物、硫化物和碲化物薄膜等的廉价和简单的沉积技术。Hill的生产导电薄膜方法的美国专利第3148084号(1964年9月8日)记载了一种生产均匀微晶半导体和光导电薄膜如硫化镉的方法。与前述公知的形成半导体层的方法相比，该方法操作更加简便，并更加有效、通用和经济。

喷雾技术已经由Chamberlin R.R等(Chemical Spray Deposition forInorganic film，J.Electrochemical Soc.113(1966)86-89)、Feigelson R.S.等(II-VISolid Solution Films By spray Pyrolysis，J.Appl.Phys.48(1977)3162-3164)、Aranovich J.等(Optical and Electrical Properties of ZnO Films Prepared by SprayPyrolysis for Solar Cell Application，J.Vac.Sci.Technol.16(1979)994-1003)、Turcotte R.L.(1982年7月6日提交的“Method to synthesize and Produce ThinFilms by Spray Pyrolysis”的美国专利第4338362号)、Major S.等(Thin SolidFilms，108(1983)333-340、Thin Solid Films，122(1984)31-43、Thin Solid Films，125(1985)179-185)、Ortiz S.等(J.of Non-Crystalline Solids，103(1988)9-13，Materials Chemistry and Physics，24(1990)383-388)、Caillaud F.等(J.EuropeanCeramic Society，6(1990)313-316)在不同材料和应用中使用。

为通过喷雾制备氧化锌平膜，通常可使用锌盐如醋酸锌、硝酸锌等作为前体材料。可将适宜的添加剂如铟盐、铝盐或铽盐加入喷雾溶液中，以使薄膜导电(Sener的关于制备透明导电氧化锌层的欧洲专利申请第336574号，其要求了1988年4月6日优先权)，和在喷雾溶液中加入钴盐或乙酰丙酮化铬以促进在喷雾工艺中薄膜的生长(Platts的关于在基材上沉积氧化锌层方法的欧洲专利第490493号，其于1991年11月14日提交并要求1990年12月12日优先权；Banerjee的关于通过化学热解连续沉积透明氧化物材料方法的美国专利第5180686号，其于1993年1月19日出版)。