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局部流场对化学气相沉积纳/微氧化锌形貌和性质的影响
Alternative TitleInfluence of local flow field on the morphology and property of ZnO nano-/micro-structures during CVD
田会娟
Subtype博士
Thesis Advisor温浩
2013-05-01
Degree Grantor中国科学院研究生院
Degree Discipline应用化学
Keyword化学气相沉积   局部流场   纳/微氧化锌   形貌演变
Abstract在采用化学气相沉积制备纳/微材料的过程中,反应器的温度、气体的流量、体系的压力等条件对纳/微产物的形貌和性质有很大影响。即使同一实验条件下,不同类型反应器、反应器不同位置得到的纳/微结构产物也相去甚远,仅依靠实验研究化学气相沉积是远远不够的。各种实验条件的综合作用可在反应器中营造出不同的局部化学环境,直接导致不同位置产物的纳/微结构和性质差异。因此,只有结合流场分析,探索化学气相沉积中局部流场与纳/微结构之间的关系,才可能揭示控制纳/微结构形成的根本原因。这对于调控纳/微结构的性能和反应器的设计具有很重要的意义。本论文以化学气相沉积法制备纳/微ZnO为例,采用实验研究与数值模拟相结合的方法,研究了ZnO的生长过程中实验条件、局部气氛和纳/微结构之间的关系: (1) 在常规的单管反应器中,研究了同一实验条件下不同沉积位置气氛的分布及其对ZnO纳/微结构和性质的影响。通过化学气相沉积实验和计算流体力学模拟发现当以纯Zn粉为锌源时,在锌源上、下游沉积位置附近O2和Zn蒸汽浓度分布存在明显差异:上游位置O2浓度相对较高,Zn蒸汽浓度相对较低,可能是因为Zn蒸汽向上游扩散所受到的阻力较大,形成了较大的浓度梯度,造成上游位置局部气氛浓度梯度较大,因而上游产物形貌存在由钉状到针状的演变;下游沉积位置O2浓度相对较低,Zn蒸汽浓度相对较高,且锌源附近的浓度分布比较均匀,因而下游沉积位置上产物比较单一,主要为铅笔状产物。在其它实验条件完全相同,只改变锌源时,产物只是在形貌上略有差异,上、下游产物的直径变化规律一致,都符合热力学限制的金属液滴团簇最小直径公式。结合热重分析结果及不同对比实验中锌源的质量消耗,可知SiO2粉末的掺入加速了Zn粉的蒸发,蒸发速率和蒸发持续的时间也随之改变,产物形貌产生了差异。 (2) 结合化学气相沉积实验和计算流体力学模拟研究了单管式、对向双管式及背向双管式三种类型反应器中反应气氛的浓度分布与产物形貌、性质和产量的关系。研究发现两类双管式反应器中产物形貌和性质的变化规律基本一致,而与单管反应器中产物相比形貌和性质的变化规律相差较大,这主要是由Zn蒸汽浓度分布引起的。在双管式反应器中,Zn蒸汽主要聚集在小管内,扩散到小管外的Zn蒸汽量很少。当N2和O2总流量保持在400 sccm时,小管口的Zn蒸汽摩尔分数约0.2,小管中心Zn蒸汽摩尔分数约0.6,而单管式反应器中锌源上游沉积位置附近Zn蒸汽摩尔分数在0.02左右,锌源下游Zn蒸汽摩尔分数在0.1左右,可见单管式反应器中较小的Zn蒸汽浓度有利于生长一维的纳/微结构,而双管式反应器中较大的Zn蒸汽浓度更利于生长多脚状的纳/微结构。 (3) 研究了钉状ZnO纳/微结构钉帽部分的形成机理,首次提出了降温处理方式对纳/微结构的影响。研究发现自然降温中产物顶端直径较大而且排列较密集,产物表面的氧空位较多,真空和快速降温条件下产物的顶端直径较小,产物表面具有较少的氧空位。X光电子能谱分析结果表明真空和快速降温条件有利于改善ZnO纳/微结构的顶端形貌与提高晶格氧/锌原子比,减小氧空位。ZnO纳/微结构的一些性质主要取决于顶端形貌的氧空位,因此可以通过改变降温条件制备具有特定应用的产物。为了进一步探讨钉帽的生长机理,研究了不同生长时间时产物的形貌和性质,确定了钉帽是在降温阶段形成的,并不是因为随着时间的增加锌粉蒸发量减少而形成的。
Other AbstractThe experimental conditions, such as temperature, gas flow rate, pressure and others exhibit great influences on the morphologies and properties of the products during chemical vapor deposition. Even if in the same experimental conditions, the nano-/micro-structures of the products prepared in the different types of reactor or the different deposition positions in the same reactor are not the same. The experimental investigation is not enough to understand the mechanism and reveal the nature of different morphologies. The local chemical environment resulting from the various experimental conditions directly influences morphologies and properties of the products. Therefore, the combination of CFD simulation and CVD experimental study is important to explore the relationship between the nano-/micro-structures and the local flow field. In this paper, the nano-/micro-structure ZnO was growth through CVD. In addition, the relationship of the experimental parameters, the local atmosphere and nano-/micro-structure by simulation and experiments was studied.
Pages135
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/8252
Collection研究所(批量导入)
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GB/T 7714
田会娟. 局部流场对化学气相沉积纳/微氧化锌形貌和性质的影响[D]. 中国科学院研究生院,2013.
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