气相沉积中局部流场对材料微结构和性质的影响

气相沉积在纳微结构材料的制备中占有越来越重要的地位。通常报道只关注反应器的温度、工作气体的流量、沉积体系的压力等外部条件对产物的微结构的改变或者调控。但我们发现在同一外部条件下不同结构反应器、反应器不同位置得到的产物微结构相去甚远，说明仅依靠外部条件描述气相沉积是远远不够的。在反应器中，气相物质除自由扩散之外，还受到气流输送、质量传递、化学反应等因素的影响，这些因素的综合作用可在反应器中营造出因物质场分布而形成的不同局部化学环境，直接导致不同位置产物微结构和性质迥异。因此，只有结合流场分析，探索气相沉积反应器中宏观流场与纳微结构的相互关系，才有可能揭示控制微结构形成之控制因素、纳微材料制备中的流场现象等科学问题。这对于调控纳微结构的性能、反应器的设计意义非凡，也是对传统"三传一反"理论的延伸和补充。

纳微结构ZnO因具有特殊的物理化学性质而广受关注。CVD法为制备纳微ZnO最常用的方法，此方法影响因素较多导致使产物形貌不易控制。鉴于不同形貌的纳微结构具有不用的性质和应用，研究影响产物形貌的本质因素，实现ZnO纳微结构的可控生长变得尤为重要。目前大多数研究者主要通过大量实验的方法研究操作条件的影响，很少有人注意到，这些外在的操作条件营造了反应器内局部气氛的不同。我们结合实验和CFD模拟，研究了反应器内的局部流场对产物的影响：研究了相同实验条件下，锌源上下游不同位置处产物的形貌和性质的差异，发现在上游沉积位置处锌蒸汽和氧气的浓度梯度较大，产物形貌变化较大；通过改变O2/N2流量比分析了相同沉积位置处局部气氛的变化，获得了氧气浓度与钉状产物长径比之间的变化关系；研究了操作条件相同时，不同类型的反应器内局部气氛变化规律，发现两种双管式反应器中产物形貌近似，但与常规管式炉中形貌差异较大；研究了降温阶段处理方式对产物形貌和性质的影响，进一步验证了反应器内局部流场的重要性。