[发明专利]一种生长纳米晶硅粉体的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备纳米晶硅粉体的装置,尤其是一种利用射频介质阻挡放电产生的等离子体来连续生长单分散的纳米晶硅粉体的装置。

背景技术

由于纳米结构的量子限制效应，硅纳米结构材料呈现出了宽范围的能级可调和室温发光特性，在光电器件、全色显示、太阳能电池、生物荧光标记、光通讯和硅基光集成等领域具有巨大应用潜力。

目前，多种技术已被应用于纳米尺寸的纳米晶硅粉体的制备，常用的制备方法主要有化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、化学溶液沉淀法、脉冲激光烧蚀法等。其中，溶胶-凝胶法及化学溶液沉淀法都属于液体化学反应，不需要复杂的设备，但是颗粒团聚现象比较严重，获得粒径小、分布窄的颗粒很难；脉冲激光烧蚀法装置复杂，需要价格昂贵的高功率激光器，且产量少；相较而言，化学气相沉积法将原料气体分解再凝聚成晶核，晶核在加热区长成颗粒，此方法操作简单，可以实现产业化生产，是目前人们最常采用的一种方法。

常用的等离子体增强化学气相沉积装置大部分都是用来沉积薄膜的，电极都是上下平行放置，在下电极上放上基片，原料气体形成等离子体后在基片上沉积，最后形成薄膜，一般还需要在电极上加热，有利于薄膜形成。通常沉积薄膜的压强要求低于100pa。也有少部分这样的装置用于生长纳米颗粒，但是需要高真空设备及加热装置，后处理还需要退火装置，因此生产工艺比较复杂，而且控制粒子大小只能通过开启、关闭射频源实现。开射频源的时候生成等离子体，开始生长粒子，关射频源粒子停止生长，如此控制停留时间来达到控制粒子大小的目的。

文献“L.Mangolini，E.Thimsen，U.Kortshagen. High-Yield Plasma Synthesis of Luminescent Silicon Nanocrystals，NANO LETTERS，2005，5(4): 655-659.”公开了一种基于等离子体增强化学气相沉积法制备纳米晶硅粉体的方法和装置，使用一种喷流装置来产生介质阻挡放电等离子体，其中充当电极的铜环套在通气管道上，原料气体从上而下经过通电形成的等离子体区，气体分解生长成纳米晶硅颗粒，然后在下部的收集网上完成收集，这种方法产生的等离子体稳定性差，原料气体不能充分分解，而且生成的纳米晶硅粉体的均匀性无法保证，即不能精确控制纳米晶硅粒子大小，因此不适合大规模产业化生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种生产工序简单、原料气体分解充分，并且能够精确控制纳米晶硅粒子大小的连续生长纳米晶硅粉体的装置。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种生长纳米晶硅粉体的装置，包括反应腔，设置在反应腔顶部的进气管道，设置在反应腔底部的收集腔，位于反应腔外部的射频源，以及设置在收集腔内部的收集网；其关键在于：一对电极在反应腔中竖直设置，电极对应的两端固定有充当介质阻挡层的石英片形成一对平行板，所述收集腔的底部连接有真空泵，位于收集腔的内部且在收集网的下面设有可调挡板。

所述进气管道上设置有流量表。

所述进气管道的内部套装有用以限流的石英导流管。

所述一对平行板电极为外部包有一层绝缘体的铝棒。

所述铝棒的内部设有用以通冷却水以防铝棒过热烧毁的盲孔。

所述盲孔中设有两根分别用于进水和出水的细水管。

所述反应腔与收集腔之间设有防止纳米晶硅粉体飘散的玻璃限流管。

所述收集网为不锈钢网。

所述收集腔的外部设有测其内部气压的压强表。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明的射频介质阻挡放电具有低温、高气压、非平衡的特点，使其与其它等离子体产生装置相比具有独特的优势：在射频介质阻挡条件下可以产生更多的活性粒子，电子的数量较多，电子的能量较高，所以可以使激发、电离、解离等过程进行的更加充分，进而可以产生更多的离子、自由基、分子、原子等活性粒子，有利于原料气体充分分解；而且这种方法产生的冷等离子体是非热平衡等离子体，电子温度高达20 000-50 000 K (～2-5 eV)，而粒子和气体温度接近室温。当电子与离子结合时会产生放热反应，使离子表面温度升至几百K，有利于纳米晶硅颗粒的形成。