一種氧化銅納米線陣列定域生長方法
2023-05-20 13:57:16 2
專利名稱：一種氧化銅納米線陣列定域生長方法
技術領域：
本發明涉及一種定域製備氧化銅納米線陣列的方法。
背景技術：
納米材料的定域生長是一種在襯底的特定區域內製備納米線，納米管等納米結構的方法。利用該技術可製備出納米材料冷陰極的圖形，在場發射顯示器件、傳感器、納電子器件等方面有廣泛的應用前景。目前報導較多的是碳納米管的定域製備。在碳納米管的定域生長中，首先要在襯底上定域製備催化劑，然後採用化學氣相沉積的方法在有催化劑的區域內生長碳納米管。在此過程中碳納米管的原料來源於化學氣相沉積時通入的反應氣體，如甲烷和乙炔等。。
發明內容
本發明提供一種無需催化劑的實現氧化銅納米線陣列定域生長的方法。
氧化銅納米線陣列定域生長按以下步驟進行1、清洗襯底，除去襯底上的雜質；2、依次在襯底上定域製備過渡層薄膜和銅薄膜；3、在有氧氣的氣氛下加熱至350～700℃，並保溫5分鐘～6小時，最後降溫。
上述的過渡層材料為鉻、鎳、鐵、鎳鉻、鈦、鎢、鉬或鋁中的一種或幾種的組合。過渡層的厚度為5～200納米。銅薄膜層的厚度為200納米～500微米。過渡層的作用是使生長的氧化銅納米線與襯底有較好的附著力。
本發明所述的氧化銅納米線陣列可定域生長於各種襯底上，例如單晶矽片、金屬片、玻璃、ITO玻璃或陶瓷，襯底的幾何形狀不限。
本發明所述的定域生長氧化銅納米線的方法不需要催化劑，利用簡單的熱氧化反應即可實現在襯底上定域生長氧化銅納米線陣列。製備的氧化銅納米線陣列具有較好的場發射特性，可以應用於顯示器件，電光源、光電轉換和熱電轉換器件等。
圖1採用光刻工藝定域製備氧化銅納米線陣列的工藝之一。
圖2採用光刻工藝定域製備氧化銅納米線陣列的工藝之二。
圖3採用蔭罩掩模定域製備氧化銅納米線陣列的工藝步驟。
圖4一種採用氧化銅納米線陣列的顯示器件的結構。
圖5定域生長的氧化銅納米線陣列的光學顯微鏡照片。
圖6氧化銅納米線陣列的XRD圖。
圖7氧化銅納米線陣列的SEM圖。
圖8氧化銅納米線陣列的HRTEM圖。
圖9定域生長的氧化銅納米線陣列的場發射像。
圖10氧化銅納米線陣列的場發射I-E曲線。
具體實施例方式
為了更清楚地給出上述的定域生長的過程，圖1給出了以矽片為襯底採用光刻工藝定域製備氧化銅納米線的步驟。如圖1(a)所示，首先在矽片1均勻甩塗上一層光刻膠2。掩模3上製備有需要定域生長的氧化銅納米線的區域的圖形。透過掩模3對光刻膠進行紫外光曝光(如圖1(b)所示)。通過顯影得到如圖1(c)所示的光刻膠圖形。採用剝離工藝(lift-off)可以得到如圖1(d)所示的過渡層薄膜4和銅薄膜5的圖形。剝離工藝(lift-off)的具體步驟是，在圖1(c)所示的光刻膠圖形上依次製備過渡層薄膜4和銅薄膜5，然後用有機溶劑去除光刻膠，即可得到如圖1(d)所示的過渡層薄膜4和銅薄膜5的圖形。過渡層薄膜4和銅薄膜5可以採用通用的薄膜製備方法如濺射、熱蒸發、電子束蒸發等方法製備。將所得到的過渡層薄膜4和銅薄膜5在氧氣、空氣或含有氧氣的混合氣體氣氛下加熱至350～700℃，並保溫5分鐘～6小時，最後降溫。可以在鍍有薄膜的區域生成氧化銅納米線6。
在上述光刻過程中，也可以不採用上述的剝離工藝，採用直接對過渡層薄膜和銅薄膜進行刻蝕得到定域的過渡層薄膜和銅薄膜的圖形。這時，其步驟如圖2所示。這時，首先在襯底7上依次製備過渡層薄膜8和銅薄膜。均勻甩塗上一層光刻膠10(如圖1(b)所示)。透過掩模11對光刻膠進行紫外光曝光(如圖1(c)所示)。通過顯影得到如圖2(d)所示的光刻膠圖形。然後，在光刻膠的保護下進行刻蝕，將未被保護的過渡層薄膜8和銅薄膜9刻去。刻蝕可以採用通用的溼法或幹法刻蝕。最終得到如圖2(e)所示的過渡層薄膜8和銅薄膜9的圖形。將所得到的過渡層薄膜8和銅薄膜9在氧氣、空氣或含有氧氣的混合氣體氣氛下加熱至350～700℃，並保溫5分鐘～6小時，最後降溫。可以在鍍有薄膜的區域生成氧化銅納米線12。
圖3給出了另外一種採用蔭罩掩模定域製備氧化銅納米線的步驟。如圖3(a)所示，首先在襯底13上安放一片蔭罩掩模14。透過蔭罩掩模製備過渡層薄膜15和銅薄膜16。取走蔭罩掩模後得到如圖3(b)所示的過渡層薄膜15和銅薄膜16的圖形。同樣，過渡層薄膜和銅薄膜可以採用通用的薄膜製備方法如濺射、熱蒸發、電子束蒸發等方法製備。將所得到的過渡層薄膜和銅薄膜在氧氣、空氣或含有氧氣的混合氣體氣氛下加熱至350～700℃，並保溫5分鐘～6小時，最後降溫，就可以在鍍有薄膜的區域生成氧化銅納米線17。
本發明的方法可以在不同大小和形狀的區域內定域生長出氧化銅納米線陣列。區域的大小和形狀由所採用的光刻方法或蔭罩掩模所決定。實際的實施過程中，不局限於上述的紫外光曝光光刻或蔭罩掩模的方法形成定域圖形，還可以採用電子束、離子束、x射線光刻或其他加工方法實現過渡層薄膜和銅薄膜的定域製備。過渡層薄膜和銅薄膜可以採用通用的薄膜製備方法，包括濺射、物理蒸發(熱蒸發、電子束蒸發)，化學氣相沉積、離子束鍍膜等方法製備。
製備氧化銅納米線使用的溫度與襯底的材料有關。一般來說，溫度低於所採用的襯底材料的熔點。製備的氧化銅納米線的直徑和長度與生長溫度和時間有關，溫度越高生成的納米線的直徑越細，密度越高。時間越長，生成的納米線的長度越長。
上述的氧化銅納米線陣列作為冷陰極可以應用在顯示器件，電光源、光電轉換和熱電轉換器件等。
圖4給出了一種在顯示器件上的應用例子。該顯示器件的基本結構由玻璃陰極基板18和玻璃陽極基板19組成。陰極基板上有製備在ITO條20上的氧化銅納米線陰極21。陽極板上有製備在ITO條22上的條狀的螢光粉層23。通過陽極和陰極電極條交叉尋址，陰極接低電位，陽極接高電位，即可以實現圖像的顯示。上述的顯示器件結構也可以採用三極結構實現。
實施例本實施例給出在ITO玻璃上定域製備氧化銅納米線陣列的過程。首先將ITO玻璃襯底用丙酮和酒精分別超聲清洗15分鐘，烘乾。定域生長的步驟參見附圖3。在襯底上安放一片蔭罩掩模。採用直流磁控濺射製備一層鉻膜，其厚度為100nm，接著，採用直流磁控濺射製備銅薄膜，其厚度為3μm。取走蔭罩掩模後，將製備有鉻薄膜和銅薄膜襯底放入加熱爐內，升高溫度至400℃，保溫2小時，然後自然冷卻。
對製備的樣品進行x射線衍射(XRD)、電子掃描顯微鏡(SEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)的觀察。附圖5給出定域生長的氧化銅納米線陣列的光學顯微鏡照片。附圖6給出了樣品的XRD圖，表明生成了CuO結構，圖中其它的峰來自於襯底。附圖7是SEM下觀察到的截面的形貌，可以發現在薄膜的表面形成了氧化銅納米線陣列，其直徑約為80納米，高度1～2微米。高解析度透射電子顯微鏡觀察結果如圖8所示，可以確定製備的為氧化銅單晶納米線。在ITO玻璃上定域生長的氧化銅納米線的場發射像如圖9所示，在定域生長的區域有均勻的發射，而它的J-E特性如圖10所示，其對應10μA/cm2的開啟電場約為10MV/m。
權利要求
1.一種氧化銅納米線陣列定域生長方法，其特徵在於按照以下步驟進行(1)清洗襯底，除去襯底上的雜質；(2)依次在襯底上定域製備過渡層薄膜和銅薄膜；(3)在有氧氣的氣體氣氛下加熱至350～700℃，並保溫5分鐘～6小時，最後降溫。
2.根據權利要求1所述的一種氧化銅納米線陣列定域生長方法，其特徵在於所述的襯底是單晶矽片、金屬片、玻璃、ITO或陶瓷。。
3.權利要求1所述的氧化銅納米線陣列定域生長方法，其特徵在於步驟(2)所述的定域製備過渡層薄膜和銅薄膜的方法為光刻法或蔭罩掩模法。
4.根據權利要求1，2，或3所述的氧化銅納米線陣列定域生長方法，其特徵在於所述的過渡層材料為鉻、鎳、鐵、鎳鉻、鈦、鎢、鉬或鋁中的一種或幾種。
5.根據權利要求1所述的氧化銅納米線陣列定域生長方法，其特徵在於過渡層薄膜的厚度為5～200納米，銅薄膜層的厚度為200納米～500微米。
6.權利要求1，2，3，4或5所述的方法製備的陣列在顯示器件，電光源、光電轉換和熱電轉換器件方面的應用。
全文摘要
本發明公開了一種定域生長氧化銅納米線陣列的方法。首先採用光刻或蔭罩掩模依次在襯底上的特定區域內製備過渡層薄膜和銅薄膜，然後將其在氧氣、空氣或含有氧氣的混合氣體氣氛下加熱至350～700℃，並保溫5分鐘～6小時，最後降溫。本方法不使用任何催化劑，可以方便地在襯底的所需的區域內製備出氧化銅納米線陣列。製備出的氧化銅納米線陣列可應用於顯示器件、電光源、光電轉換和熱電轉換器件等。
文檔編號C01G3/02GK1843932SQ20061003400
公開日2006年10月11日 申請日期2006年3月3日 優先權日2006年3月3日
發明者許寧生, 陳軍, 張思密, 鄧少芝, 佘峻聰 申請人:中山大學