专利名称：一种氧化铜纳米线阵列定域生长方法
技术领域：
本发明涉及一种定域制备氧化铜纳米线阵列的方法。
背景技术：
纳米材料的定域生长是一种在衬底的特定区域内制备纳米线，纳米管等纳米结构的方法。利用该技术可制备出纳米材料冷阴极的图形，在场发射显示器件、传感器、纳电子器件等方面有广泛的应用前景。目前报道较多的是碳纳米管的定域制备。在碳纳米管的定域生长中，首先要在衬底上定域制备催化剂，然后采用化学气相沉积的方法在有催化剂的区域内生长碳纳米管。在此过程中碳纳米管的原料来源于化学气相沉积时通入的反应气体，如甲烷和乙炔等。。
发明内容
本发明提供一种无需催化剂的实现氧化铜纳米线阵列定域生长的方法。
氧化铜纳米线阵列定域生长按以下步骤进行1、清洗衬底，除去衬底上的杂质；2、依次在衬底上定域制备过渡层薄膜和铜薄膜；3、在有氧气的气氛下加热至350～700℃，并保温5分钟～6小时，最后降温。
上述的过渡层材料为铬、镍、铁、镍铬、钛、钨、钼或铝中的一种或几种的组合。过渡层的厚度为5～200纳米。铜薄膜层的厚度为200纳米～500微米。过渡层的作用是使生长的氧化铜纳米线与衬底有较好的附着力。
本发明所述的氧化铜纳米线阵列可定域生长于各种衬底上，例如单晶硅片、金属片、玻璃、ITO玻璃或陶瓷，衬底的几何形状不限。
本发明所述的定域生长氧化铜纳米线的方法不需要催化剂，利用简单的热氧化反应即可实现在衬底上定域生长氧化铜纳米线阵列。制备的氧化铜纳米线阵列具有较好的场发射特性，可以应用于显示器件，电光源、光电转换和热电转换器件等。
图1采用光刻工艺定域制备氧化铜纳米线阵列的工艺之一。
图2采用光刻工艺定域制备氧化铜纳米线阵列的工艺之二。
图3采用荫罩掩模定域制备氧化铜纳米线阵列的工艺步骤。
图4一种采用氧化铜纳米线阵列的显示器件的结构。
图5定域生长的氧化铜纳米线阵列的光学显微镜照片。
图6氧化铜纳米线阵列的XRD图。
图7氧化铜纳米线阵列的SEM图。
图8氧化铜纳米线阵列的HRTEM图。
图9定域生长的氧化铜纳米线阵列的场发射像。
图10氧化铜纳米线阵列的场发射I-E曲线。
具体实施例方式
为了更清楚地给出上述的定域生长的过程，图1给出了以硅片为衬底采用光刻工艺定域制备氧化铜纳米线的步骤。如图1(a)所示，首先在硅片1均匀甩涂上一层光刻胶2。掩模3上制备有需要定域生长的氧化铜纳米线的区域的图形。透过掩模3对光刻胶进行紫外光曝光(如图1(b)所示)。通过显影得到如图1(c)所示的光刻胶图形。采用剥离工艺(lift-off)可以得到如图1(d)所示的过渡层薄膜4和铜薄膜5的图形。剥离工艺(lift-off)的具体步骤是，在图1(c)所示的光刻胶图形上依次制备过渡层薄膜4和铜薄膜5，然后用有机溶剂去除光刻胶，即可得到如图1(d)所示的过渡层薄膜4和铜薄膜5的图形。过渡层薄膜4和铜薄膜5可以采用通用的薄膜制备方法如溅射、热蒸发、电子束蒸发等方法制备。将所得到的过渡层薄膜4和铜薄膜5在氧气、空气或含有氧气的混合气体气氛下加热至350～700℃，并保温5分钟～6小时，最后降温。可以在镀有薄膜的区域生成氧化铜纳米线6。
在上述光刻过程中，也可以不采用上述的剥离工艺，采用直接对过渡层薄膜和铜薄膜进行刻蚀得到定域的过渡层薄膜和铜薄膜的图形。这时，其步骤如图2所示。这时，首先在衬底7上依次制备过渡层薄膜8和铜薄膜。均匀甩涂上一层光刻胶10(如图1(b)所示)。透过掩模11对光刻胶进行紫外光曝光(如图1(c)所示)。通过显影得到如图2(d)所示的光刻胶图形。然后，在光刻胶的保护下进行刻蚀，将未被保护的过渡层薄膜8和铜薄膜9刻去。刻蚀可以采用通用的湿法或干法刻蚀。最终得到如图2(e)所示的过渡层薄膜8和铜薄膜9的图形。将所得到的过渡层薄膜8和铜薄膜9在氧气、空气或含有氧气的混合气体气氛下加热至350～700℃，并保温5分钟～6小时，最后降温。可以在镀有薄膜的区域生成氧化铜纳米线12。
图3给出了另外一种采用荫罩掩模定域制备氧化铜纳米线的步骤。如图3(a)所示，首先在衬底13上安放一片荫罩掩模14。透过荫罩掩模制备过渡层薄膜15和铜薄膜16。取走荫罩掩模后得到如图3(b)所示的过渡层薄膜15和铜薄膜16的图形。同样，过渡层薄膜和铜薄膜可以采用通用的薄膜制备方法如溅射、热蒸发、电子束蒸发等方法制备。将所得到的过渡层薄膜和铜薄膜在氧气、空气或含有氧气的混合气体气氛下加热至350～700℃，并保温5分钟～6小时，最后降温，就可以在镀有薄膜的区域生成氧化铜纳米线17。
本发明的方法可以在不同大小和形状的区域内定域生长出氧化铜纳米线阵列。区域的大小和形状由所采用的光刻方法或荫罩掩模所决定。实际的实施过程中，不局限于上述的紫外光曝光光刻或荫罩掩模的方法形成定域图形，还可以采用电子束、离子束、x射线光刻或其他加工方法实现过渡层薄膜和铜薄膜的定域制备。过渡层薄膜和铜薄膜可以采用通用的薄膜制备方法，包括溅射、物理蒸发(热蒸发、电子束蒸发)，化学气相沉积、离子束镀膜等方法制备。
制备氧化铜纳米线使用的温度与衬底的材料有关。一般来说，温度低于所采用的衬底材料的熔点。制备的氧化铜纳米线的直径和长度与生长温度和时间有关，温度越高生成的纳米线的直径越细，密度越高。时间越长，生成的纳米线的长度越长。
上述的氧化铜纳米线阵列作为冷阴极可以应用在显示器件，电光源、光电转换和热电转换器件等。
图4给出了一种在显示器件上的应用例子。该显示器件的基本结构由玻璃阴极基板18和玻璃阳极基板19组成。阴极基板上有制备在ITO条20上的氧化铜纳米线阴极21。阳极板上有制备在ITO条22上的条状的荧光粉层23。通过阳极和阴极电极条交叉寻址，阴极接低电位，阳极接高电位，即可以实现图像的显示。上述的显示器件结构也可以采用三极结构实现。
实施例本实施例给出在ITO玻璃上定域制备氧化铜纳米线阵列的过程。首先将ITO玻璃衬底用丙酮和酒精分别超声清洗15分钟，烘干。定域生长的步骤参见附图3。在衬底上安放一片荫罩掩模。采用直流磁控溅射制备一层铬膜，其厚度为100nm，接着，采用直流磁控溅射制备铜薄膜，其厚度为3μm。取走荫罩掩模后，将制备有铬薄膜和铜薄膜衬底放入加热炉内，升高温度至400℃，保温2小时，然后自然冷却。
对制备的样品进行x射线衍射(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)的观察。附图5给出定域生长的氧化铜纳米线阵列的光学显微镜照片。附图6给出了样品的XRD图，表明生成了CuO结构，图中其它的峰来自于衬底。附图7是SEM下观察到的截面的形貌，可以发现在薄膜的表面形成了氧化铜纳米线阵列，其直径约为80纳米，高度1～2微米。高分辨率透射电子显微镜观察结果如图8所示，可以确定制备的为氧化铜单晶纳米线。在ITO玻璃上定域生长的氧化铜纳米线的场发射像如图9所示，在定域生长的区域有均匀的发射，而它的J-E特性如图10所示，其对应10μA/cm2的开启电场约为10MV/m。
权利要求
1.一种氧化铜纳米线阵列定域生长方法，其特征在于按照以下步骤进行(1)清洗衬底，除去衬底上的杂质；(2)依次在衬底上定域制备过渡层薄膜和铜薄膜；(3)在有氧气的气体气氛下加热至350～700℃，并保温5分钟～6小时，最后降温。
2.根据权利要求1所述的一种氧化铜纳米线阵列定域生长方法，其特征在于所述的衬底是单晶硅片、金属片、玻璃、ITO或陶瓷。。
3.权利要求1所述的氧化铜纳米线阵列定域生长方法，其特征在于步骤(2)所述的定域制备过渡层薄膜和铜薄膜的方法为光刻法或荫罩掩模法。
4.根据权利要求1，2，或3所述的氧化铜纳米线阵列定域生长方法，其特征在于所述的过渡层材料为铬、镍、铁、镍铬、钛、钨、钼或铝中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的氧化铜纳米线阵列定域生长方法，其特征在于过渡层薄膜的厚度为5～200纳米，铜薄膜层的厚度为200纳米～500微米。
6.权利要求1，2，3，4或5所述的方法制备的阵列在显示器件，电光源、光电转换和热电转换器件方面的应用。
全文摘要
本发明公开了一种定域生长氧化铜纳米线阵列的方法。首先采用光刻或荫罩掩模依次在衬底上的特定区域内制备过渡层薄膜和铜薄膜，然后将其在氧气、空气或含有氧气的混合气体气氛下加热至350～700℃，并保温5分钟～6小时，最后降温。本方法不使用任何催化剂，可以方便地在衬底的所需的区域内制备出氧化铜纳米线阵列。制备出的氧化铜纳米线阵列可应用于显示器件、电光源、光电转换和热电转换器件等。
文档编号C01G3/02GK1843932SQ20061003400
公开日2006年10月11日 申请日期2006年3月3日 优先权日2006年3月3日
发明者许宁生, 陈军, 张思密, 邓少芝, 佘峻聪 申请人:中山大学