專利名稱：基于液晶掩模的氧化鋅納米晶體定向生長(zhǎng)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及氧化鋅納米晶體的制備方法和裝置，特指一種基于液晶掩模的氧化鋅納米晶體定向生長(zhǎng)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
定向生長(zhǎng)的ZnO納米晶體在傳感器、光電和場(chǎng)發(fā)射領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，也一直是科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)《Controlled Growth of ZnO Nanowires andTheir Optical Properties》Yang，P.D.，et al.，Adv.Funct.Mater.(2002)12(5)，323和文獻(xiàn)《Optical recombination of ZnO nanowires grown on sapphire and Si substrates》Zhao，Q.X.，et al.，Appl.Phys.ett.(2003)83(1)，165文獻(xiàn)《Crystallographicorientation-aligned ZnO nanorods grown by a tin catalyst》Gao，P.X.，et al.，Nano Lett.(2003)3(9)，1315用Au、Sn作為催化劑，在基底上取向生長(zhǎng)出高度定向的納米線，如果預(yù)先在Au薄膜上制成圖案，可穩(wěn)定地達(dá)到納米線的選擇性生長(zhǎng)。文獻(xiàn)《Growth of large periodic arrays of carbon nanotubes》Huang，Z.P.，et al.，Appl.Phys.Lett.(2003)82(3)，460利用PECVD等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法和帶有圖案的掩模制備定向生長(zhǎng)的碳納米管，等等。這些方法定向生長(zhǎng)的納米晶體與基片的催化劑薄膜的圖案(或者掩模的圖案)的形狀和加工精度有著密切的關(guān)系，并且掩模(圖案)制作加工線度很小時(shí)因激光通過(guò)掩?？p隙發(fā)生衍射使圖形標(biāo)記模糊，且更換標(biāo)記圖形時(shí)需另外制作掩模。
與本發(fā)明最為接近的現(xiàn)有技術(shù)有專利200510094160.8，“一種基于液晶掩模表面微細(xì)加工方法和裝置”，其根據(jù)工件表面要求加工的微觀形狀制作相應(yīng)的掩模，激光通過(guò)液晶掩模后由于顯示屏圖形的阻斷作用，激光束成為與工件表面要求加工的微觀形狀一致的多束微細(xì)光斑，照射到工件表面后在工件表面燒蝕出所需形狀的凹坑；以及專利03114802.6“一種過(guò)渡金屬氧化物納米線及其三維多孔納米晶體的制備方法”。其以二氧化硅型介孔固體為模板，對(duì)孔表面進(jìn)行硅氨基化修飾，利用酸堿中和可以控制過(guò)渡元素的同多酸及雜多酸有序進(jìn)入孔道，也可以利用胺與過(guò)渡金屬離子配位作用引入過(guò)渡金屬離子，通過(guò)控制引入物種的含量、組成、熱分解溫度、熱處理時(shí)間以及硅溶解，制備多種過(guò)渡金屬氧化物納米線及其三維多孔納米晶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種基于液晶掩膜的激光ZnO納米晶體定向生長(zhǎng)的方法和裝置，用激光通過(guò)光束空間調(diào)制器輻射液晶掩模，可通過(guò)改變液晶掩膜的灰度、激光輻射能量、作用時(shí)間等，來(lái)獲取不同時(shí)間和空間分布的激光能量分布，利用激光的熱效應(yīng)在金屬鋅板表面定向生長(zhǎng)ZnO納米晶體。
實(shí)施本發(fā)明方法的裝置包括激光束空間調(diào)制器、激光發(fā)生器、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有由計(jì)算機(jī)編程控制的液晶掩膜，且控制系統(tǒng)分別與激光發(fā)生器、液晶掩膜和工件夾具系統(tǒng)相連，工件夾具系統(tǒng)包括工件、工件夾具、工作臺(tái)。激光發(fā)生器經(jīng)激光束與激光束空間調(diào)制器I、液晶掩膜、激光束空間調(diào)制器II依次相連。
本發(fā)明方法的特征在于用激光通過(guò)光束空間調(diào)制器輻射液晶掩模，可通過(guò)改變液晶掩膜的灰度、激光輻射能量、光斑直徑、作用時(shí)間等，來(lái)獲取不同空間分布的激光能量分布，利用激光的熱效應(yīng)在金屬鋅板表面產(chǎn)生溫度空間分布，當(dāng)溫度大于ZnO納米晶體的生長(zhǎng)溫度閾值時(shí)，生成ZnO納米晶體，從而實(shí)現(xiàn)ZnO的納米晶體的定向生長(zhǎng)，具體實(shí)施過(guò)程如下(1)根據(jù)定向生長(zhǎng)的ZnO納米晶體的要求，繪制出具有灰度的圖案，在液晶顯示屏上顯示出圖案而形成液晶掩膜，并由計(jì)算機(jī)控制液晶掩膜，實(shí)現(xiàn)快速的圖案變換；(2)根據(jù)圖案的復(fù)雜程度，選擇激光工藝參數(shù)激光功率0.1-2.5kW、光斑直徑0.5-3mm，作用時(shí)間0.1-1s。激光束經(jīng)光束調(diào)制器均勻化調(diào)制與擴(kuò)束后通過(guò)具有灰度圖案的液晶掩膜，匯聚在金屬鋅板的表面，產(chǎn)生溫度空間分布，實(shí)現(xiàn)ZnO納米晶體定向生長(zhǎng)。
由于液晶顯示屏圖案的灰度不同，激光束的通過(guò)率也不同，這就形成了空間分布也不同的激光能量，在金屬鋅板表面的溫度也不相同，從而在金屬鋅板表面可以根據(jù)需要生成不同維數(shù)的ZnO納米晶體組合。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1.通過(guò)采用可編程控制的液晶掩模和激光束的空間調(diào)制，采用液晶顯示技術(shù)，制作成具有灰度的液晶圖案顯示，顏色深淺的不同，其透光率也不同，且連續(xù)可變，實(shí)現(xiàn)激光空間能量三維分布，可以在金屬鋅板表面可以根據(jù)需要生成不同維數(shù)的ZnO納米晶體組合；2.由于可實(shí)時(shí)地進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程控制，液晶圖案隨時(shí)變換，真正實(shí)現(xiàn)了在線快速ZnO納米晶體的定向生長(zhǎng)，大大地降低了制模成本，有效地提高了生產(chǎn)效率；3.可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)晶體定向生長(zhǎng)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置示意圖。
1.激光發(fā)生器控制裝置 2.激光發(fā)生器 3.激光束 4.激光束空間調(diào)制器I 5.液晶掩膜 6.液晶控制裝置 7.激光束空間調(diào)制器II 8.金屬鋅板 9.工作臺(tái)(含夾具) 10.工作臺(tái)控制裝置圖2是用本方法定向生長(zhǎng)氧化鋅晶體的示意圖11.金屬鋅板 12.生長(zhǎng)氧化鋅晶體區(qū)域 13.對(duì)應(yīng)掩模 14.灰度1 15.灰度216.定向生長(zhǎng)的氧化鋅晶體組合 17.氧化鋅一維納米晶體 18.氧化鋅二維納米晶體具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的具體裝置的細(xì)節(jié)和工作情況。
用本發(fā)明方法進(jìn)行氧化鋅晶體定向生長(zhǎng)的裝置包括激光發(fā)生器控制裝置(1)、激光發(fā)生器(2)、激光束(3)、激光束空間調(diào)制器I(4)、液晶掩膜(5)、液晶控制裝置(6)、激光束空間調(diào)制器II(7)、金屬鋅板(8)、工作臺(tái)(含夾具)(9)、工作臺(tái)控制裝置(10)，其中激光束空間調(diào)制器由凹透鏡、凸透鏡及均質(zhì)器等組成。激光發(fā)生器(2)產(chǎn)生的激光束(3)經(jīng)激光束空間調(diào)制器I(4)，穿過(guò)液晶掩膜(5)，再經(jīng)過(guò)激光束空間調(diào)制器II(7)匯聚激光，在金屬鋅板表面(8)產(chǎn)生不同的空間能量分布，實(shí)現(xiàn)氧化鋅晶體定向生長(zhǎng)。
根據(jù)定向生長(zhǎng)的要求，繪制出具有灰度的圖案，在液晶顯示屏上顯示出圖案而形成液晶掩膜，并由計(jì)算機(jī)控制液晶掩膜，實(shí)現(xiàn)快速的圖案變換；通過(guò)激光發(fā)生器控制裝置(1)選取適當(dāng)?shù)募す夤β?.1-2.5kW、光斑直徑0.5-3mm，作用時(shí)間0.1-1s，由激光發(fā)生器(2)產(chǎn)生的激光束(3)經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)進(jìn)入激光束空間調(diào)制器I(4)，光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束、均質(zhì)后均勻的空間能量分布。經(jīng)過(guò)擴(kuò)束和均勻化的激光束(3)通過(guò)液晶掩膜(5)，經(jīng)激光束空間調(diào)制器II(7)將液晶掩膜屏上的圖案匯聚到金屬鋅板(8)表面上，產(chǎn)生空間分布與圖案一致的激光能量分布，從而在金屬鋅板的表面定向生長(zhǎng)ZnO納米晶體。通過(guò)工作臺(tái)控制裝置(10)可以自由調(diào)整激光束和工作臺(tái)(9)上金屬鋅板的相對(duì)位置。圖2為激光功率0.83kW、光斑直徑2mm，作用時(shí)間0.3s，液晶掩模的灰度(14)為208，灰度(15)為96時(shí)，對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)的氧化鋅納米線和四角晶體的組合。
權(quán)利要求
1.一種基于液晶掩模的氧化鋅納米晶體定向生長(zhǎng)的方法，其特征在于(1)根據(jù)定向生長(zhǎng)的ZnO納米晶體的要求，繪制出具有灰度的圖案，在液晶顯示屏上顯示出圖案而形成液晶掩膜，并由計(jì)算機(jī)控制液晶掩膜，實(shí)現(xiàn)快速的圖案變換；(2)根據(jù)圖案的復(fù)雜程度，選擇激光工藝參數(shù)激光功率0.1-2.5kW、光斑直徑0.5-3mm，作用時(shí)間0.1-1s；激光束經(jīng)光束調(diào)制器均勻化調(diào)制與擴(kuò)束后通過(guò)具有灰度圖案的液晶掩膜，匯聚在金屬鋅板的表面，產(chǎn)生溫度空間分布，實(shí)現(xiàn)ZnO納米晶體定向生長(zhǎng)。
2.一種基于液晶掩模的氧化鋅納米晶體定向生長(zhǎng)裝置，包括激光束空間調(diào)制器、激光發(fā)生器、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有由計(jì)算機(jī)編程控制的液晶掩膜(5)，且控制系統(tǒng)分別與激光發(fā)生器(2)、液晶掩膜(5)和工件夾具系統(tǒng)相連，工件夾具系統(tǒng)包括工件、工件夾具、工作臺(tái)(9)，激光發(fā)生器(2)經(jīng)激光束(3)與激光束空間調(diào)制器I(4)、液晶掩膜(5)、激光束空間調(diào)制器II(7)依次相連。
全文摘要
本發(fā)明屬于陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及氧化鋅納米晶體的制備方法和裝置，特指一種采用基于液晶掩模的氧化鋅納米晶體定向生長(zhǎng)的方法和裝置。本方法提出的裝置由激光發(fā)生器控制裝置、激光發(fā)生器、激光束、激光束空間調(diào)制器I、液晶掩膜、液晶控制裝置、激光束空間調(diào)制器II、金屬鋅板、工作臺(tái)(含夾具)、工作臺(tái)控制裝置組成。由于液晶屏可以顯示任意形狀的圖形，可通過(guò)改變液晶掩膜的灰度、激光輻射能量、作用時(shí)間等，來(lái)獲取不同時(shí)間和空間分布的激光能量分布，利用激光的熱效應(yīng)在金屬鋅板表面定向生長(zhǎng)ZnO納米晶體(組合)。
文檔編號(hào)C23C8/12GK1974401SQ200610097479
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者張永康, 魯金忠, 李國(guó)杰, 王偉, 孔德軍, 周駿 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)