[发明专利]在流通式等离子反应器中生产IV族元素纳米颗粒的方法和装置

说明书

发明领域

本发明总体上涉及纳米颗粒，特别涉及使用等离子反应器生产IV族 元素半导体纳米颗粒。

背景技术

由于在生物医学、光学和电子领域中的各种潜在应用，纳米颗粒研 究目前是广泛科学研究的领域。特别地，半导体纳米颗粒(如硅纳米颗 粒)由于它们在光伏电池、光致发光类器件、掺杂电致发光光发射器、 存储器件和其它微电子器件(例如二极管和晶体管)中的潜在用途而使 人特别感兴趣。

产生IV族元素半导体纳米颗粒的常用方法包括激光热解、激光烧蚀、 蒸发、气体放电离解和等离子。不幸的是，目前已知的等离子反应器如 通常未被优化用于纳米颗粒连续式商业规模生产的那些。

概述

在一种实施方案中，本发明涉及用于由前体气体生产IV族元素半导 体纳米颗粒的集合的等离子处理装置。装置包括外介电管，外管包括外 管内表面和外管外表面，其中外管内表面具有外管内表面蚀刻速率。装 置还包括内介电管，内介电管包括内管外表面，其中外管内表面和内管 外表面限定出环形通道，而且其中内管外表面具有内管外表面蚀刻速率。 装置还包括第一外电极，第一外电极具有布置在外管外表面上的第一外 电极内表面。装置还包括第一中心电极，第一中心电极被布置在内介电 管内部，第一中心电极还被设计成在第一RF能量源施加到第一外电极和 第一中心电极中一个时被连接到第一外电极上；和在第一外电极和中心 电极之间限定第一反应区。

在另一种实施方案中，本发明涉及生产IV族元素半导体纳米颗粒的 集合的方法。方法包括使前体气体流过等离子室。等离子室包括外介电 管、内介电管、外电极和中心电极。方法还包括施加RF能量源到外电极 和中心电极的一个上。方法还包括收集该组IV族元素半导体纳米颗粒， 并使清洗气体流过由外介电管和内介电管限定的环形通道。

附图简述

图1A-B显示了根据本发明的等离子反应器的简化侧视示意图和横截 面侧视示意图；

图2显示了根据本发明的具有二个反应区域的等离子反应器的简化 侧视示意图；

图3显示了根据本发明的嵌套同轴电极设计的简化示意图；

图4A-B显示了根据本发明的具有保护介电套的等离子反应器的简化 侧视示意图和横截面侧视示意图；

图5显示了根据本发明的在等离子反应器介电管部分上具有保护层 的等离子反应器的横截面侧视示意图；

图6显示了使用根据本发明的在介电管上有(虚线)和没有(实线) 氮化硅涂层的等离子反应器形成的硅纳米颗粒粉末的简化傅里叶变换红 外(FTIR)光谱；和

图7显示了根据本发明的为形成IV族元素半导体或金属纳米颗粒设 计的简化等离子反应器系统。

详细描述

现在将参考如附图中所示的几种优选实施方案详细描述本发明。在 下面的描述中，阐述了大量具体细节以便提供本发明的完全理解。但是， 对于本领域技术人员来说，可在没有部分或全部这些具体细节时实施本 发明是显而易见的。在其它情况下，未详细描述众所周知的工艺步骤和/ 或结构，以便不会不必要地使本发明难以理解。

如前所述，目前生产IV族元素半导体纳米颗粒的方法通常未被优化 用于连续的商业规模生产。在有利的方式中，本发明允许在等离子反应 器中连续生产商业规模数量的IV族元素纳米颗粒(例如硅、锗、α-锡、 它们的组合等)。

发明人认为，本发明的等离子反应器构造(本文中也称为“反应器”) 和等离子反应器系统具有超过可选IV族纳米颗粒产生技术的几个重要优 点。例如，本发明使在环形通道上具有均匀或基本均匀粉末密度的连续、 高产量纳米颗粒生产成为可能。也就是说，通道被成形或形成环。等离 子反应区域上的均匀粉末密度通常使具有纳米颗粒性质如颗粒尺寸分布 和结晶度的更好控制的IV族元素半导体纳米颗粒的生产成为可能。

在有利的方式中，可通过增加内和外电极之间的通道的半径(或间 隙)按比例提高或增加反应区的面积，从而增加生产量。或者，可通过 增加等离子反应区的长度(例如增加内和外电极二者的长度)来增加纳 米颗粒生产量。