[发明专利]一种利用催化剂定域技术合成图案化单晶氧化钨纳米线阵列的新方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用催化剂定域技术合成图案化氧化钨纳米线阵列 的新方法，特别是涉及采用催化剂薄膜定域技术结合化学气相沉积技术制 备图案化氧化钨纳米线阵列薄膜的方法。

背景技术

自从Iijima 1991年首次发现碳纳米管以来，一维纳米材料由于与其体 材料相比具有更加独特的物理和化学特性，就一直受到人们的广泛关注。 而在微纳电子产业蓬勃发展的21世纪，以一维纳米材料阵列为基的纳米 器件的制备与物理特性研究更是成为了世界科技界所关注的焦点。众所周 知，压电(Piezoelectric)器件、场致电子发射显示(FED)器件、气敏器 件(Gas Sensors)、场效应晶体管(FET)和太阳能电池(Solar cell)等结 构如果想要在工业上得到实际应用首先应该实现大面积的纳米结构阵列 薄膜的图案化可控制备；其次，为降低其生产成本，并考虑到与目前实际 生长工艺的兼容情况，纳米结构阵列还要实现低温生长(＜550℃)，以便于 在ITO或一些高熔点有机物衬底上可以直接实现制备生长；同时制备技术 应相对成熟，并且制备方法具有简单、可重复性强以及产量大等优点；最 后要从物理和化学特性出发，应选择具有较高的电导率或较低的电子亲和 势，或较好的热导率，或较高的熔点，或较强的光电转换能力等综合性能 较好的纳米结构作为器件所应用的材料。

近年来，氧化钨一维纳米线阵列由于具有优良的场发射特性、光致变 色以及气致变色等物理性质，从众多的候选材料中脱颖而出，吸引了国内 外研究者的广泛关注。氧化钨具有多种化学价态，可以形成数十种氧化物 结构，但是对应不同的氧化物结构，氧化钨材料表现出截然不同的物理和 化学特性。目前大量的研究结果表明：单一相的氧化钨一维纳米结构具有 很高的电导特性和优越的场发射特性(开启电场为2-4V/μm，阈值电场 为6-8V/μm，最大发射电流密度可达到数十mA/cm²)，被公认为是最有 希望在场发射领域实现应用的新型阴极纳米材料。氧化钨一维纳米结构阵 列的场发射表现要优于许多冷阴极纳米材料，甚至可以和碳纳米管相比 拟，同时它们又具有制备方法简单，产量大且重复性强等优点，所以在场 致电子发射领域具有非常大的应用前景。

由于氧化钨的化学相高达几十种，所以低温下实现图案化单晶氧化钨 一维纳米结构的制备十分困难，目前国内外也只有少数研究小组报导了氧 化钨纳米结构的制备方法，而图案化纳米结构阵列的低温制备方法却迟迟 未能出现。如美国的Pfeifer小组(J.Pfeifer et al.，J.Cryst.Growth，16(1996) 727)和Satishkumar小组(B.C.Satishkumar et al.，J.Mater.Chem.，10 (2000)2115)使用溶液法在水域中实现了氧化钨纳米线的生长，该种方法 由于产物合成于溶液中，因此难于形成具有良好物性的纳米线阵列；日本 的Jin等人(Y.Z.Jin et al.，J.Phys.Chem.B，108(2004)15572)通过W粉和 水蒸气反应，在800-1000℃下制备了无序的氧化钨纳米线，此种方法由于 有水蒸气的加入，所以氧化钨的物性相对较差；日本的Liu Z.W.小组(Y.B. Li et al.，Adv.Mater.，15(2003)1294)通过Ar气中加热W片的方法，在 1000-1050℃生长了比较有序的W₁₈O₄₉纳米线，该方法合成样品所需温度 较高且难于形成阵列结构；同时广东省显示材料与技术重点实验室(J. Zhou et al.，Appl.Phys.Lett.，87(2005)223108)使用热蒸发方法，以W粉为 源材料，在1000-1200℃温度下成功制备了氧化钨纳米线阵列。

上述所列制备方法，或在溶液中使用液相方法制备氧化钨纳米线，或 以高温蒸发法或是化学气相沉积法制备氧化钨一维纳米材料，这些技术得 到的产物以无序的氧化钨纳米线居多，且反应温度高(＞800℃)，形貌和结 构可控性差，同时经常获得不同物相的氧化钨纳米结构相混合的产物，并 且生产成本相对昂贵，产物的物性特性较差，而且场发射表现不能满足器 件应用需要，最重要的是无法实现图案化氧化钨纳米结构薄膜的低温 (＜550℃)定域制备，所以在很大程度上束缚了其在微纳电子器件领域的迅 速发展。

发明内容