衬底位置对氧化锌表面形貌的影响

衬底位置对氧化锌表面形貌的影响

在科技高速发展的今天，涌现出了许多全新的方向和领域，它们对所用材料提出了更高的要求，寻找出更加优秀的材料成为了高精领域的当务之急，这个时候，纳米材料应运而生，纳米材料凭借着自身具有的诸多优异性能，在不同领域都大放异彩。在纳米材料的范围内，其中氧化锌(ZnO)纳米材料作为一种便于制备且应用性广泛的纳米材料，受到大量的关注和研究。

氧化锌(ZnO)，一般呈现为六角纤锌矿结构，是一种禁带宽度约为3.37eV的直接宽带隙半导体材料，由于其具有较高的激子束缚能60meV，不容易产生热离化现象，而且还是极少数几个可以实现量子尺寸效应的半导体材料之一。在汉斯出版社《材料科学》期刊中，有论文主要利用的是化学气相沉积法，化学气相沉积法是将反应物以气态的形式在系统内传输，在高温基底表面发生化学反应，进而得到固态生成物的一种实验方法。

制备氧化锌纳米材料有多种方法，大致上分为气相法、液相法和固相法三大类，其中固相法操作简单但却容易引入杂质；液相法反应速度快但反应条件多样，如溶胶、凝胶法，其使用溶剂大多有毒，反应周期较长，沉淀法则是生成物存在过滤问题；气相法操作简单，反应速度也尚可，虽然生产成本较高，但用于实验室研究是最佳选择。在制备氧化锌纳米材料的过程中，制备方法的不同，各个参数的不同，都会对生成物形貌发生影响。

本文所用的化学气相沉积(CVD)法是利用气态或汽态的物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物的技术，目前是制备无机微纳米材料的常用方法。CVD法的原理是通过对固态反应源进行高温加热，随着温度的升高，反应源会逐渐转化为气态，同时通过通入运载气体使气态反应物从高温区扩散到低温区，在衬底的表面成核、生长，形成各种微纳米结构。本文中所用到CVD系统为真空管式高温烧结炉(OTF-1200X)，其主要包含四部分，分别是：供气系统、石英管式炉、电子控制系统、尾气处理系统。

实验结果表明在石英管上端和底端两个位置分别发现了生成物，经过测量发现石英管顶端的样品主要结构为氧化锌纳米棒结构，直径在3μm左右，长度大约为15~25μm；石英管底端为氧化锌六角纤锌矿结构纳米棒，直径在10~15μm之间，两个样品表面形貌不同的主要原因在于衬底位置的不同，衬底位置不同影响到纳米晶结晶时衬底表面温度。

石英管底部接近加热区，衬底温度较高，而石英管顶部相比底部衬底离加热区较远，由于衬底温度不同使得氧化锌纳米晶的结晶速度有所不同，进而导致最终生长出的纳米棒形貌不同。分别对两个样品做了SEM和XRD表征，表征结果显示样品表面形貌光滑，没有其它附着物产生，大小一致均匀，其中样品b主要呈现六角结构，具有C轴择优生长取向。XRD测试结果表明样品结晶质量良好，通过计算得到样品的晶格常数为a=0.3248nm，c=0.5219nm与氧化锌晶格常数理论值十分接近，进一步说明了该实验方法得到的氧化锌纳米棒结构性能良好，未来可以广泛的应用于光电子器件领域，为实现氧化锌纳米晶的可控生长提供实验参数。

文章来源：https://doi.org/10.12677/MS.2020.1011111