一種水熱法氧化鋅單晶材料合成裝置的製造方法
2023-05-03 22:07:36
一種水熱法氧化鋅單晶材料合成裝置的製造方法
【技術領域】
[0001 ]本實用新型涉及水熱法氧化鋅單晶材料合成裝置。
【背景技術】
[0002] 人工合成氧化鋅晶體材料是在一定溫度和壓力下通過複雜的物理和化學反應將 化合物結晶出來，形成單晶或規則多晶的過程。單晶氧化鋅對於微電子、集成電路、光伏、激 光設備等產業的發展有著決定性作用。合成過程需要精確的控制體系的溫度、壓力、濃度、 成分變化過程等因素。目前使用的水熱法合成技術中，主要集中在控制均一液相中的溫度、 pH值等技術使晶體析出，由於水熱法通常在較高溫度和較大壓力下密閉反應，所以均一液 相中的反應條件改變很難實現，而且這種方法只適合於製備微納米尺寸的單晶，很難合成 大尺寸單晶。在我國雷射設備、微電子設備對大尺寸單晶需求量日益增長的情況下，這種合 成方法已經無法適應當前科學技術的發展，對合成晶體方面的技術革新已迫在眉睫。
【發明內容】
[0003] 針對上述情況，為克服現有技術之缺陷，本實用新型之目的就是提供一種水熱法 氧化鋅單晶材料合成裝置及合成方法，可有效解決用水熱法合成單晶過程中系統因素調節 困難，無法合成出大塊體單晶的問題。
[0004] 本實用新型解決的技術方案是，一種水熱法氧化鋅單晶材料合成裝置，包括調節 罐、連通管和反應罐，調節罐的內腔經連通管與反應罐的內腔相連通，調節罐與反應罐的結 構相同，均為密閉的中空結構，二者的內腔均設置由耐熱耐化學腐蝕材料製成的罐體內襯， 連通管的內側設置有由耐熱耐化學腐蝕材料製成的管體內襯。
[0005] 所述的連通管包括與調節罐相連的第一管體、與反應罐相連的第二管體和連接第 一管體、第二管體的連接套，第一管體和第二管體相連的一端外壁上均設置有絲套堵頭，絲 套堵頭內側在第一管體和第二管體上均設置有沿各自管體滑動的絲套，絲套外壁上有第一 外螺紋，連接套的內壁上有與第一外螺紋相對應的第一內螺紋，第一管體和第二管體通過 第一外螺紋、第一內螺紋與連接管旋裝在一起，連接套內在第一管體和第二管體的端面之 間夾裝有流量控制墊片，流量控制墊片中心有通氣孔。
[0006] 所述的調節罐與反應罐的結構相同，均包括防爆金屬材料製成的外殼、罐體內襯 和蓋套，外殼和內襯均為上部開口的中空結構，內襯套裝在外殼內，內襯上端外壁上設置有 壓緊外殼口部上沿的密封凸起，蓋套為上下開口的中空結構，蓋套內壁上設置有第二內螺 紋，外殼外壁上設置有與第二內螺紋相對應的第二外螺紋，蓋套通過第二內螺紋與第二外 螺紋旋裝在外殼上部，第一管體與調節罐相連的一端、第二管體與反應罐相連的一端均設 置有向外凸起的密封蓋，密封蓋置於蓋套下與密封凸起之間，通過旋緊蓋套進行密封連接， 構成整體的密封結構。
[0007] -種水熱法氧化鋅單晶材料合成方法，包括以下步驟：
[0008] A、安裝合成裝置
[0009] 合成裝置包括調節罐、連通管和反應罐，調節罐的內腔經連通管與反應罐的內腔 相連通，調節罐與反應罐的結構相同，均為密閉的中空結構，二者的內腔均設置由耐熱耐化 學腐蝕材料製成的罐體內襯，連通管2的內側設置有由耐熱耐化學腐蝕材料製成的管體內 襯；
[0010] 所述的連通管包括與調節罐相連的第一管體、與反應罐相連的第二管體和連接第 一管體、第二管體的連接套，第一管體和第二管體相連的一端外壁上均設置有絲套堵頭，絲 套堵頭內側在第一管體和第二管體上均設置有沿各自管體滑動的絲套，絲套外壁上有第一 外螺紋，連接套的內壁上有與第一外螺紋相對應的第一內螺紋，第一管體和第二管體通過 第一外螺紋、第一內螺紋與連接管旋裝在一起，連接套內在第一管體和第二管體的端面之 間夾裝有流量控制墊片，流量控制墊片中心有通氣孔；
[0011]所述的調節罐與反應罐的結構相同，均包括防爆金屬材料製成的外殼、罐體內襯 和蓋套，外殼和內襯均為上部開口的中空結構，內襯套裝在外殼內，內襯上端外壁上設置有 壓緊外殼口部上沿的密封凸起，蓋套為上下開口的中空結構，蓋套內壁上設置有第二內螺 紋，外殼外壁上設置有與第二內螺紋相對應的第二外螺紋，蓋套通過第二內螺紋與第二外 螺紋旋裝在外殼上部，第一管體與調節罐相連的一端、第二管體與反應罐相連的一端均設 置有向外凸起的密封蓋，密封蓋置於蓋套下與密封凸起之間，通過旋緊蓋套進行密封連接， 構成整體的密封結構；
[0012]8、將水和211(0130)0)2.!120按質量比16 :25的比例混合加入罐體內襯中，並在溶液 中懸置一個氧化鋅晶體的晶種，將罐體內襯置入外殼中，將第一管體的絲套堵頭一端從蓋 套下口部進入，上口部穿出，將第一管體上的密封蓋壓在該罐體內襯的密封凸起上，將蓋套 旋緊在外殼上，即為反應罐；
[0013] C.取與步驟A中的水等體積的質量濃度為28 %氨水，置入另一罐體內襯中，將該罐 體內襯置入外殼中，將第二管體的絲套堵頭一端從蓋套下口部進入，上口部穿出，將第二管 體上的密封蓋壓在該罐體內襯的密封凸起上，將蓋套旋緊在外殼上，即為調節罐3;
[0014] D、取流量控制墊片置入連接套中，將第一管體和第二管體的兩個絲套分別從連接 套兩端旋入並壓緊流量控制墊片；
[0015] E、將反應罐置於95°C - 150°C的衡溫箱中，將調節罐置於變溫箱中，維持反應30 - 180天，期間調節罐的溫度從40°C升溫到80°C，溫度呈以天為單位均勻升高；
[0016] F、取出反應罐和調節罐，冷卻至常溫後先旋開連接套，再分別旋開反應罐和調節 罐3,從反應罐中取出生成的晶體即可。
[0017] 本實用新型方法新穎獨特，簡單合理，具備合成多種無機物晶體的作用，對科研、 醫藥有著重要意義，本實用新型裝置簡單、易操作，效果好，是晶體的水熱法製備上的技術 創新。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本實用新型流程示意圖。
[0019] 圖2為本實用新型合成裝置的結構示意圖。
[0020] 圖3為本實用新型反應罐或調節罐的剖視圖。
[0021 ]圖4為本實用新型連通管的剖視圖。
[0022]圖5為本實用新型連接套處的安裝剖視圖。
[0023]圖6為本實用新型外殼的剖視圖。
[0024]圖7為本實用新型罐體內襯的剖視圖。
[0025]圖8為本實用新型蓋套的剖視圖。
[0026] 圖9為本實用新型連接套的剖視圖。
[0027] 圖10為本實用新型連通管的局部剖視圖。
[0028] 圖11為本實用新型流量控制墊片的結構示意圖。
[0029] 圖12為本實用新型流量控制墊片的剖視圖。
[0030]圖13為利用文獻方法製備的氧化鋅晶體的螢光光譜圖。
[0031] 圖14為利用本實用新型方法製備的氧化鋅晶體的螢光光譜圖。
【具體實施方式】
[0032] 以下結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0033]由圖1至圖12給出，本實用新型包括調節罐1、連通管2和反應罐3,調節罐的內腔經 連通管與反應罐的內腔相連通，調節罐1與反應罐3的結構相同，均為密閉的中空結構，二者 的內腔均設置由耐熱耐化學腐蝕材料製成的罐體內襯6,連通管2的內側設置有由耐熱耐化 學腐蝕材料製成的管體內襯13;
[0034]為保證使用效果，所述的連通管2包括與調節罐相連的第一管體2a、與反應罐3相 連的第二管體2b和連接第一管體、第二管體的連接套21，第一管體和第二管體相連的一端 外壁上均設置有絲套堵頭16,絲套堵頭16內側在第一管體和第二管體上均設置有沿各自管 體滑動的絲套17,絲套外壁上有第一外螺紋18,連接套的內壁上有與第一外螺紋相對應的 第一內螺紋22，第一管體和第二管體通過第一外螺紋、第一內螺紋與連接管旋裝在一起，連 接套內在第一管體和第二管體的端面之間夾裝有流量控制墊片23,流量控制墊片23中心有 通氣孔14;
[0035] 所述的調節罐1與反應罐3的結構相同，均包括防爆金屬材料製成的外殼5、罐體內 襯6和蓋套4，外殼和內襯均為上部開口的中空結構，內襯套裝在外殼內，內襯上端外壁上設 置有壓緊外殼口部上沿的密封凸起15,蓋套4為上下開口的中空結構，蓋套4內壁上設置有 第二內螺紋9,外殼外壁上設置有與第二內螺紋相對應的第二外螺紋10,蓋套通過第二內螺 紋與第二外螺紋旋裝在外殼上部，第一管體與調節罐相連的一端、第二管體與反應罐相連 的一端均設置有向外凸起的密封蓋11，密封蓋置於蓋套下與密封凸起之間，通過旋緊蓋套 進行密封連接，構成整體的密封結構；
[0036] 所述的絲套17上設置有用於板手著力的第一六稜管帽19,所述的連接套21上設置 有用於板手著力的第二六稜管帽20,所述的蓋套4上設置有用於板手著力的第三六稜管帽 7；
[0037] 所述的蓋套4、外殼5以及連通管2的外層材料均為防爆金屬材料製成，如不鏽鋼材 料；
[0038]所述的罐體內襯6、管體內襯13及流量控制墊片23均為耐高溫耐化學腐蝕的材料 製成，如聚四氟乙烯；
[0039]所述的罐體內襯6的外徑比外殼5的內徑小0.1 - 0.5mm，使罐體內襯可以放入外殼 內，又不使兩壁間有明顯間隙；
[0040]所述的罐體內襯6的高度在減去密封凸起15後等於外殼5的內空間高度，使罐體內 襯6放入外殼5後底部與外殼內壁接觸，密封凸起15壓在外殼5的口部上沿；
[0041 ] 所述的連通管2的密封蓋11直徑小於套蓋4下口部內徑0.1 -0.5mm，使密封蓋11能 夠在套蓋4內自由移動且能完全覆蓋罐體內襯6的密封凸起15,並不從套蓋4的上口部8處脫 出；
[0042] 所述的絲套17內徑大於連通管2外徑0.1 - 0.5mm，且小於絲套堵頭16的外徑，使絲 套17可以在連通管2上自由滑動且不會從絲套堵頭16處脫落；
[0043] 所述的絲套堵頭16外徑小於絲套17的外徑，使絲套17向連接套21連接時不受阻 擋；
[0044] 所述的絲套17的外徑小於套蓋4的連上口部8的內徑，使連通管2的絲套17端能夠 自由穿過套蓋4;
[0045] 所述的絲套17的第一外螺紋18的長度大於或等於連接套21的長度的二分之一，使 兩個絲套從連接套兩端進入時可以在連接套21內壓緊流量控制墊片23;
[0046] 所述的流量控制墊片23的外徑小於連接套21的內徑，且大於連通管2的內徑，流量 控制墊片23的通氣孔24的直徑小於或等於連通管2的內徑。
[0047] -種採用權利要求1所述合成裝置的水熱法氧化鋅單晶材料合成方法，其特徵在 於，包括以下步驟：
[0048] A、安裝合成裝置
[0049] 合成裝置包括調節罐1、連通管2和反應罐3，調節罐的內腔經連通管與反應罐的內 腔相連通，調節罐1與反應罐3的結構相同，均為密閉的中空結構，二者的內腔均設置由耐熱 耐化學腐蝕材料製成的罐體內襯6,連通管2的內側設置有由耐熱耐化學腐蝕材料製成的管 體內襯13;
[0050] 所述的連通管2包括與調節罐相連的第一管體2a、與反應罐3相連的第二管體2b和 連接第一管體、第二管體的連接套21，第一管體和第二管體相連的一端外壁上均設置有絲 套堵頭16,絲套堵頭16內側在第一管體和第二管體上均設置有沿各自管體滑動的絲套17， 絲套外壁上有第一外螺紋18,連接套的內壁上有與第一外螺紋相對應的第一內螺紋22,第 一管體和第二管體通過第一外螺紋、第一內螺紋與連接管旋裝在一起，連接套內在第一管 體和第二管體的端面之間夾裝有流量控制墊片23,流量控制墊片23中心有通氣孔14;
[0051] 所述的調節罐1與反應罐3的結構相同，均包括防爆金屬材料製成的外殼5、罐體內 襯6和蓋套4，外殼和內襯均為上部開口的中空結構，內襯套裝在外殼內，內襯上端外壁上設 置有壓緊外殼口部上沿的密封凸起15,蓋套4為上下開口的中空結構，蓋套4內壁上設置有 第二內螺紋9,外殼外壁上設置有與第二內螺紋相對應的第二外螺紋10,蓋套通過第二內螺 紋與第二外螺紋旋裝在外殼上部，第一管體與調節罐相連的一端、第二管體與反應罐相連 的一端均設置有向外凸起的密封蓋11，密封蓋置於蓋套下與密封凸起之間，通過旋緊蓋套 進行密封連接，構成整體的密封結構；
[0052] 8、將水和211(0^00)2*出0按質量比16:25的比例混合加入罐體內襯6中，並在溶 液中懸置一個氧化鋅晶體的晶種，將罐體內襯6置入外殼5中，將第一管體2a的絲套堵頭16 一端從蓋套4下口部進入，上口部穿出，將第一管體2a上的密封蓋11壓在該罐體內襯的密封 凸起上，將蓋套旋緊在外殼上，即為反應罐1;
[0053] C.取與步驟A中的水等體積的質量濃度為28 %氨水，置入另一罐體內襯中，將該罐 體內襯置入外殼中，將第二管體2b的絲套堵頭16-端從蓋套4下口部進入，上口部穿出，將 第二管體2b上的密封蓋11壓在該罐體內襯的密封凸起上，將蓋套旋緊在外殼上，即為調節 罐3;
[0054] D、取孔徑0.1mm流量控制墊片23置入連接套21中，將第一管體2a和第二管體2b的 兩個絲套分別從連接套21兩端旋入並壓緊流量控制墊片；
[0055] E、將反應罐1置於95°C - 150°C的衡溫箱中，將調節罐3置於變溫箱中，維持反應 30 -180天，期間調節罐3的溫度從40°C升溫到80°C，溫度呈以天為單位均勻升高；
[0056] F、取出反應罐1和調節罐3,冷卻至常溫後先旋開連接套21，再分別旋開反應罐1和 調節罐3,從反應罐1中取出生成的晶體即可。
[0057] 所述的調節罐3中的變化為氨7JC混合體系的相平衡過程，方程式為:卵3,氏0 #領3，H2
[0058] 對氨水混合體系的汽液平衡數據進行回歸，可得所氨蒸汽壓的半經驗計算式為：
[0059] 1ηρΝΗ3 = 20.9736-4311.2/T+lnxNH3+[12.3134-0.03067 · T] · xnhs
[0060] 在製備過程中，隨著氨氣的逸出並與反應罐1中的醋酸鋅反應，調節罐3中的氨水 濃度在逐漸降低，即ΧΝΗ3在逐漸減小，根據半經驗計算式可知，這會導致連通管2中的氨氣飽 和蒸汽壓降低，即ΡΝΗ3減小，這又會導致從調節罐3傳輸到反應罐1的氨氣減少，使反應速率 變小，影響晶體的結晶。而從半經驗計算式可以看出，升高溫度可以使氨氣飽和蒸汽壓升 高，因此，升高調節罐3的溫度可以抵消濃度減小對氨氣蒸汽壓的影響。所以，合成過程中調 節罐3溫度的控制是一個從低到高的變溫過程。
[0061] 所述的反應罐1中的反應如下：
[0066] 控制從調節罐3中逸出氨氣的速度，就可以控制反應罐1中氨氣與醋酸鋅的反應速 度，也就控制了氧化鋅晶體的結晶速度，最終使氧化鋅能穩定的結晶在晶種的優勢生長面 上，形成單晶，本實用新型方法具備合成多種晶體的功能，合成過程中可以調節多種參數， 易操作，使用方便，效果好，可用於商業生產、科研等方面，有良好的社會和經濟效益，經試 驗均取得的相同或相近似的試驗效果：
[0067] 申請人利用文獻中（如：董國義，韋志仁，林巖，王立明，李志強，張華偉，水熱法合 成氧化鋅晶體，人工晶體學報，2003,32(2): 130 -133.)常用的水熱法合成氧化鋅晶體與使 用本實用新型方法製備氧化鋅晶體進行了對比，利用文獻方法製備的晶體最大直徑為5μπι， 長度為40μπι，而使用本實用新型方法製備的晶體直徑達到5_，長度接近lcm，遠遠大於文獻 方法所得的晶體尺寸。晶體質量用螢光分光光度計進行了測定，如圖13、14所示，圖中橫坐 標Wave length表示波長，縱坐標Intensity表示強度；
[0068]從圖13、14可以看出，兩個晶體在380nm處均有一窄的激發峰，為氧化鋅晶體的本 徵激發光產生的峰，但是圖13中，即用文獻方法製得的氧化鋅晶體在510nm處有一半峰寬很 寬的峰，而且強度很大，此處的峰為氧化鋅晶體缺陷產生的深能級激發峰，而圖14,即利用 本實用新型製得的氧化鋅晶體在51 Onm處只有級弱的一個峰。兩圖相比，在380nm處的峰值B 圖比A圖弱了 3 %，而在51 Onm處B圖是A圖的20倍，因此可以說明，在兩個晶體本徵激發基本 一樣的情況下，利用本實用新型製備的氧化鋅晶體遠遠小於文獻方法製得的氧化鋅晶體。 說明利用本實用新型方法製備的氧化鋅晶體的結晶完美程度得到了極大的提高。
【主權項】
1. 一種水熱法氧化鋅單晶材料合成裝置，其特徵在於，包括調節罐（1)、連通管(2)和反 應罐(3)，調節罐的內腔經連通管與反應罐的內腔相連通，調節罐(1)與反應罐(3)的結構相 同，均為密閉的中空結構，二者的內腔均設置由耐熱耐化學腐蝕材料製成的罐體內襯(6)， 連通管(2)的內側設置有由耐熱耐化學腐蝕材料製成的管體內襯(13)。2. 根據權利要求1所述的水熱法氧化鋅單晶材料合成裝置，其特徵在於，所述的連通管 (2)包括與調節罐相連的第一管體(2a)、與反應罐(3)相連的第二管體(2b)和連接第一管 體、第二管體的連接套（21)，第一管體和第二管體相連的一端外壁上均設置有絲套堵頭 (16) ，絲套堵頭（16)內側在第一管體和第二管體上均設置有沿各自管體滑動的絲套（17)， 絲套外壁上有第一外螺紋（18 )，連接套的內壁上有與第一外螺紋相對應的第一內螺紋 (22 )，第一管體和第二管體通過第一外螺紋、第一內螺紋與連接管旋裝在一起，連接套內在 第一管體和第二管體的端面之間夾裝有流量控制墊片(23)，流量控制墊片(23)中心有通氣 孔(14)。3. 根據權利要求2所述的水熱法氧化鋅單晶材料合成裝置，其特徵在於，所述的調節罐 (1)與反應罐（3)的結構相同，均包括防爆金屬材料製成的外殼（5)、罐體內襯(6)和蓋套 (4)，外殼和內襯均為上部開口的中空結構，內襯套裝在外殼內，內襯上端外壁上設置有壓 緊外殼口部上沿的密封凸起（15)，蓋套(4)為上下開口的中空結構，蓋套(4)內壁上設置有 第二內螺紋(9)，外殼外壁上設置有與第二內螺紋相對應的第二外螺紋（10)，蓋套通過第二 內螺紋與第二外螺紋旋裝在外殼上部，第一管體與調節罐相連的一端、第二管體與反應罐 相連的一端均設置有向外凸起的密封蓋（11)，密封蓋置於蓋套下與密封凸起之間，通過旋 緊蓋套進行密封連接，構成整體的密封結構。4. 根據權利要求3所述的水熱法氧化鋅單晶材料合成裝置，其特徵在於，所述的絲套 (17) 上設置有用於板手著力的第一六稜管帽（19)，所述的連接套(21)上設置有用於板手著 力的第二六稜管帽(20)，所述的蓋套(4)上設置有用於板手著力的第三六稜管帽(7)。
【專利摘要】本實用新型涉及一種水熱法氧化鋅單晶材料合成裝置，可有效解決用水熱法合成單晶過程中系統因素調節困難，無法合成出大塊體單晶的問題，技術方案是，包括調節罐、連通管和反應罐，調節罐的內腔經連通管與反應罐的內腔相連通，調節罐與反應罐的結構相同，均為密閉的中空結構，二者的內腔均設置由耐熱耐化學腐蝕材料製成的罐體內襯，連通管的內側設置有由耐熱耐化學腐蝕材料製成的管體內襯，本實用新型方法新穎獨特，簡單合理，具備合成多種無機物晶體的作用，對科研、醫藥有著重要意義，本實用新型裝置簡單、易操作，效果好，是晶體的水熱法製備上的技術創新。
【IPC分類】C30B7/10, C30B29/16
【公開號】CN205387602
【申請號】CN201620183164
【發明人】谷保祥, 王喜英, 劉碧波, 曹志林, 張繼偉
【申請人】河南工程學院
【公開日】2016年7月20日
【申請日】2016年3月10日