發明專利說明書
※申請案號：
※申請日期： ※ＩＰＣ分類：
一、發明名稱：(中文/英文)
一種對稱奈米結構及其製備方法 / A SYMMETRIC NANOSTRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF
二、申請人：共 人
指定 為應受送達人
三、發明人：
◎專利代理人：
四、聲明事項
□主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
□主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
□ 主張專利法第二十六條微生物：
□ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存
五、中文發明摘要：
本發明係提出一種對稱奈米結構及其製備方法，該 結構包括至少99.99%重量百分比之金屬氧化物，其厚度 最大值為130nm及直徑最大值為850nm，其係由包括以下 步驟的方法所製備：形成包括氧化鋅粉末、石墨粉末及 氧化鉺粉末的混合物；加熱該混合物達至少攝氏1000℃
並維持至少一小時；及收集該混合物受熱後的產出物。
六、英文發明摘要：
We propose a synthesis method for the formation of symmetric nanostructures. The structure composes at least 99.99 wt. % metal oxide. The maximum height of the nanostructure is 130 nm and the maximum diameter is 850 nm. This nanostructure is formed by heating a mixture of zinc oxide powder, graphite powder and erbium oxide powder at 1000℃ for one hour, and the nanostructure is formed.
七、指定代表圖：
（一）本案指定代表圖為：
（二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
11．．．加熱裝置 12．．．管形爐
121．．．管形爐的一端 122．．．管形爐的另一端 13．．．內管
14．．．容器 151．．．第一基板 152．．．第二基板 16．．．感應器
17．．．流量控制裝置 18．．．惰性氣體流 19．．．混合物
八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：
九、發明說明：
[發明所屬之技術領域]
本案係指一種奈米結構，尤指一種對稱奈米結構及其製 備方法。
[先前技術]
隨著對各式產品微小化的需求，人類的科技文明即將由 微米時代逐步進入所謂的奈米時代。就奈米技術而言，
一維的奈米結構因其不僅可做為材料的光、電、磁及機 械等物性之於orderliness、dimensionality及size的基 礎理論研究；並具有很大的潛力做為奈米光電元件(如低 能消耗nanowire LED、超薄全彩LED顯示器及全彩影印設 備、場發射元件等)、功能性奈米結構元件及掃描式探針 顯微鏡之探針等應用，也因此各種一維奈米結構材料製 程漸漸受到重視。
目前一維奈米結構製備的方法可略分為以下幾種：氣液 固相法(Vapor－Liquid－Solid)：此法其實早已廣泛應 用於鬚晶之成長，目前也被利用於奈米碳管及半導體奈 米線的成長，寬能距材料如GaN等的奈米線也可以利用 VLS法有效成長。利用此機制成長奈米線之優點為，可藉 由觸媒顆粒之大小來控制奈米線之直徑分布；此外藉由 觸媒薄膜或顆粒的選擇性沉積，可於基板上選擇性成長 奈米管或奈米線。
雷射剝離法(laser ablation，或稱氧化物輔助成長 法)：此法利用SiO2與Si固態混和物為靶材，再以laser ablation將之氣化，在無觸媒之成長條件下，可於適當 溫度下成長Si奈米線。Ge奈米線亦可以此氧化物輔助成 長法，利用GeO2與Ge之混和靶材成功地成長。
奈米晶粒輔助成長法(nanocrystal assisted growth)：
此法是在無觸媒之成長條件下，先於基板上成長一奈米 晶粒薄膜作為緩衝層，而後於其上成長相同成分的一維 奈米結構材料。目前利用此法成長的一維奈米結構材料 有SiCN奈米柱及GaN奈米線等。
AAM(anodic alumina membranes)輔助成長法：此法乃以 陽極氧化法形成具有奈米尺度孔洞之多孔性氧化鋁為 template，再分別利用各種化學方法，如CVD、溶液化學 法、凝膠(sol－gel)法、電鍍法等於奈米尺度孔洞中沉 積奈米線結構之材料。
另外還有電子束蒸鍍法(e－Beam evaporation)及電化學 沉澱法(Electrochemical precipitation)等其他多種製 備奈米結構的方法。
雖然目前各種製備奈米結構的方法百家齊鳴，也已經可 以在矽基材上成長高密度、平整、直列或均勻分布的各 式奈米結構，但還沒有任何一種方法能夠製備具有完美 對稱結構的金屬氧化物奈米結構。
職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺失，經過 悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本 案「一種對稱奈米結構及其製備方法」，能夠產出各類 習知技術無法達成的對稱奈米結構，以下為本案之簡要 說明。
[發明內容]
本發明係以氣相傳輸法(Vapor Phase Transport，VPT) 為基礎，將氧化鉺(Er2O3)粉末摻入氧化鋅(ZnO)粉末及石 墨(Ga)粉末的混合物作為蒸發源，經過充分的時間施以 適當溫度蒸發後，可長成具有完美對稱結構的金屬氧化 物奈米結構，如甜甜圈結構或半球形結構，為習知技術
所不及。
根據本發明的構想，提出一種對稱奈米結構，包括至少 99.99%重量百分比之金屬氧化物，其厚度最大值為130nm 及半徑最大值為850nm，係由包括以下步驟的方法所製 備：形成包括氧化鋅粉末、石墨粉末及氧化鉺粉末的混 合物；加熱該混合物達至少攝氏1000℃並維持至少一小 時；及收集該混合物受熱後的產出物。
較佳地，本發明所提供之該種對稱奈米結構，其中該混 合物的莫爾數比介於1：1：0.1~1：1：0.3間。
較佳地，本發明所提供之該種對稱奈米結構，其中該氧 化鋅粉末其顆粒大小至少為可以通過200號篩的細顆粒而 其純度至少達到99.9%的重量百分比。
較佳地，本發明所提供之該種對稱奈米結構，其中該石 墨粉末其顆粒大小介於7~10 μ m而其純度至少達到99%的 重量百分比。
較佳地，本發明所提供之該種對稱奈米結構，其中該氧 化鉺粉末其純度至少達到99.99%的重量百分比。
較佳地，本發明所提供之該種對稱奈米結構，其中該產 出物的外觀為甜甜圈及半球型其中之一。
較佳地，本發明所提供之該種對稱奈米結構，其中該金 屬氧化物為氧化鋅。
[實施方式]
本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟 習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可 由下列實施案例而被限制其實施型態。
本案將可由以下的實施案例說明而得到充分瞭解，使得 熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非 可由下列實例而被限制其實施型態。
請參閱第一圖，為本發明的具體實施示意圖。第一圖中 包括加熱裝置11、管形爐12、內管13、容器14、第一基 板151、第二基板152、感應器16、流量控制裝置17、惰 性氣體流18及混合物19。
其中管形爐(tube furnace)12係以石英(quarts)材料製 成，但非僅限於以石英製成，其尺寸為直徑為4.5cm，長 度102cm(非僅限於該等尺寸)，管形爐12的一端121與流 量控制裝置17相連，惰性氣體將由本端121輸入，而在管 形爐12中形成惰性氣體流18，而管形爐12的另一端122則 為開放端而與環境中的大氣相通。設管形爐12的中央處 為原點(position＝0cm)，向右方定義為正，向左方定義 為負，分別就正負方向每隔20cm(position＝±20cm)佈置 感應器16，在本實施例中總計使用三個感應器16(非僅限 於該等數量)，用以量測溫度、壓力等環境變數。加熱裝 置11其加熱範圍僅存於以管形爐12正負方向45cm
(position＝±45cm)以內處。內管13係亦以石英材料製 成，但非僅限於以石英製成，其尺寸為直徑3.5cm，長度 70cm(非受限於該等尺寸)，係為便於在後續的操作中將 容器14置入及移出管形爐12而設置，使用者可先將容器 14置入內管13中，再將內管13移入管形爐12中，但內管 13的使用與否仍視實際操作狀況而定，使用者亦可直接 將容器14置入管形爐12中。容器14係亦以石英材料製 成，但非僅限於以石英製成，其尺寸如第二圖中所揭 露，原則上放置於管形爐12或內管13中央處。第一基板 151及第二基板152則分別置於容器14左右兩方適當處，
在本實施例中第一基板151及第二基板152分別置於離容 器14的20cm處(非受限於該等位置)，第一基板151及第二 基板152為矽材質晶圓(Silicon wafer)。
接著將氧化鋅粉末(Zinc Oxide)、石墨(Graphite)粉末 及氧化鉺(Erbium Oxide)粉末依照莫爾數1：1：0.2的比
例均勻混合而形成混合物19，其中氧化鋅粉末其顆粒大 小至少須為可以通過200號篩的細顆粒而其純度至少須達 到99.9%的重量百分比，石墨粉末其顆粒則須介於7~10 μ m而其純度至少須達到99%的重量百分比，氧化鉺粉末其 純度至少須達到99.99%的重量百分比。
進行長晶(growth)操作時，先將混合物19置於容器14 中，再將容器14移至管形爐12中央放置，並以加熱裝置 11對管形爐12加熱，使位於管形爐12中央的容器14及其 中的混合物達到至少攝氏1000℃的溫度，在本實施例中 的較佳值為攝氏1050℃的溫度，另本實施例中所採用的 溫度上升速率(ramp－up rate)為50℃/min。請參閱第三 圖，為管形爐中溫度隨空間的分布示意圖。由於管形爐 12的一端121在未輸入惰性氣體前係亦為開放端與環境中 的大氣相通，因此管形爐中的溫度隨空間的分布將在管 中央的位置(也就是放置容器14處，position＝0cm)達到 最高溫，復次分別向正負方向遞減至環境溫度。
當管形爐12中央位置的溫度達到攝氏1050℃後，啟動流 量控制裝置17將惰性氣體輸入管形爐12以形成惰性氣體 流18，在本實施例中惰性氣體流18的流量保持在35sccm (非受限於該等流量)，並以氬(Argon，Ar)做為惰性氣體 其純度約為99.9995%。令攝氏1050℃的溫度及35sccm流 量的惰性氣體流持續至少一小時，之後關閉加熱裝置11 及流量控制裝置17，於是管形爐12中溫度逐漸下降，請 特別注意，在將管形爐12中央位置加熱到攝氏1050℃的 過程中及加熱裝置11關閉後的時段，並未有惰性氣體流 18在管形爐12中流動。請參閱第四圖，為管形爐中央處 其溫度隨時間的變化示意圖。
在對管形爐12加熱的整個過程當中，混合物19將隨溫度 的增加而發生蒸發(evaporation)現象，氧化鋅將(濺)分 解而蒸發出容器14而成為混合物19的產出物，並因為惰 性氣體流18的輸送(convection)而附著於第一基板151或 第二基板152之上，且於其上形成具甜甜圈外型的對稱氧 化鋅奈米結構，其中金屬氧化物(氧化鋅)的含量其純度 極高，自99.99%~99.999%，或自99.999%~99.9999%。經 上述操作後，本發明所形成的甜甜圈外型的對稱氧化鋅 奈米結構其尺寸各有不同，其尺寸分佈的範圍包括：厚 度範圍約由85nm至130nm，外徑(outer diameter)範圍約 由450nm至850nm，內徑(inner diameter)範圍約由75nm 至95nm。
請參閱第五圖，為本發明所形成具甜甜圈外型的對稱氧 化鋅奈米結構示意圖，請繼續參閱第六圖，為本發明所 形成具甜甜圈外型的對稱氧化鋅奈米結構叢集示意圖，
在第六圖中可觀察到因隨機濺出而形成的重疊附著，某 一甜甜圈奈米結構因受到另一甜甜圈奈米結構的附著，
因而產生非甜甜圈外觀。
經由第五圖及第六圖的展示，可清楚觀察到本發明所提 出的方法可製備極為對稱(或可稱完美)的金屬氧化物奈 米結構，為習知技術所無從達成者。
惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能 以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專 利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利 涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所 至禱。
本案得由熟悉技藝之人任施匠思而為諸般修飾，然皆不 脫如附申請範圍所欲保護者。
[圖式簡單說明]
第一圖 係為本發明的具體實施示意圖；第二圖 係為本 發明的容器尺寸示意圖；第三圖 係為管形爐中溫度隨空
間的分布示意圖；第四圖 係為管形爐中央處其溫度隨時 間的變化示意圖；第五圖 係為本發明所形成具甜甜圈外 型的對稱氧化鋅奈米結構示意圖；及第六圖係為本發明 所形成具甜甜圈外型的對稱氧化鋅奈米結構叢集示意 圖。
十、申請專利範圍：
1.一種製備對稱奈米結構的方法，其包括步驟：形 成包括氧化鋅粉末、石墨粉末及氧化鉺粉末的混合物；
加熱該混合物達至少攝氏1000℃並持溫至少一小時；及 收集該混合物受加熱後的產出物。
2.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該收集步 驟更包括步驟：以惰性氣體輸送該產出物至適當處。
3.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該收集步 驟更包括步驟：以基板接收該產出物。
4.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該混合物 的莫爾數比介於1：1：0.1~1：1：0.3間。
5.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該氧化鋅 粉末其顆粒大小至少為可以通過200號篩的細顆粒而其純 度至少達到99.9%的重量百分比。
6.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該石墨粉 末其顆粒大小介於7~10 μ m而其純度至少達到99%的重量 百分比。
7.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該氧化鉺 粉末其純度至少達到99.99%的重量百分比。
8.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該產出物 的外觀為甜甜圈及半球型其中之一。
9.如申請專利範圍第1項所述的結構，其中該基板的 材質為矽。
10.按申請專利範圍第1項所述的方法所製備的物。
11.一種對稱奈米結構，包括至少99.99%重量百分比 之金屬氧化物，其厚度最大值為130nm及直徑最大值為 850nm。
12.如申請專利範圍第11項所述的結構，其外觀為為 甜甜圈及半球型其中之一。
13.如申請專利範圍第11項所述的結構，其中該金屬 氧化物為氧化鋅。
14.一種對稱奈米結構，包括至少99.99%重量百分比 之金屬氧化物，其厚度最大值為130nm及直徑最大值為 850nm，係由包括以下步驟的方法所製備：形成包括氧化 鋅粉末、石墨粉末及氧化鉺粉末的混合物；加熱該混合 物達至少攝氏1000℃並持溫至少一小時；及收集該混合 物受熱後的產出物。
15.如申請專利範圍第14項所述的結構，其中該混合 物的莫爾數比介於1：1：0.1~1：1：0.3間。
16.如申請專利範圍第14項所述的結構，其中該氧化 鋅粉末其顆粒大小至少為可以通過200號篩的細顆粒而其 純度至少達到99.9%的重量百分比。
17.如申請專利範圍第14項所述的結構，其中該石墨 粉末其顆粒大小介於7~10 μ m而其純度至少達到99%的重 量百分比。
18.如申請專利範圍第14項所述的結構，其中該氧化 鉺粉末其純度至少達到99.99%的重量百分比。
19.如申請專利範圍第14項所述的結構，其中該產出 物的外觀為甜甜圈及半球型其中之一。
20.如申請專利範圍第14項所述的結構，其中該金屬 氧化物為氧化鋅。
十一、圖式：
