CN1347561A - 氧化锌颗粒 - Google Patents

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Abstract

经激光热解(300)生产的氧化锌纳米颗粒的收集。氧化锌纳米颗粒具有的平均粒径小于约95纳米并具有极窄的颗粒大小分布。激光热解法的特点是在反应室内产生反应剂料流,所述的反应剂料流包括锌前体和其它反应剂。锌前体是以气溶胶的形式输送的。

Description

氧化锌颗粒
                       发明背景
本发明涉及氧化锌纳米颗粒和氧化锌纳米颗粒的生产方法。
随着各个领域的发展，人们对各种类型的新型材料提出了要求。特别是能够在许多不同加工领域中使用的各种化学粉末。具体地说，是能够在诸如电阻器之类电子元件中所使用的化学粉末。
另外，人们经常采用无机发光物质生产电子显示器，这种发光物质在与电子发生相互作用时发出可见光。向基体中掺入发光物质以生产阴极射线管和平面显示器等器件。在显示器设备改进中，例如因电子速度降低和显示器清晰度增大，对发光材料提出了严格的要求。为了降低功率，需要降低电子速度。特别是平面显示器一般需要一些对低速电子敏感的发光材料。
另外，在生产彩色显示器时，需要使用一些物质或者这些物质的混合物，这些物质在可以进行选择性激发的显示器中在一些位置上发出波长不同的光。已经有许多的物质用作发光物质。特别是，发现氧化锌粉末可用作发光材料，它既可以单独使用，也可以与其它物质混合使用。为了获得一些能发出所需波长光的物质，向发光物质中掺入一些激发剂。此外，为获得所需的发射，也可将多种发光物质混合使用。而且，作为发光物质，必需有足够的发光。
                         发明概况
本发明的第一方面涉及收集含有结晶氧化锌的颗粒，收集平均粒径小于约95纳米的颗粒。可将这种氧化锌颗粒掺入各种器件中，包括电子元件，例如电阻器。
本发明的第二方面涉及氧化锌颗粒的生产方法，所述方法包括在反应室内热解含锌前体和氧源的反应剂料流，而所述的热解是通过吸收光束的热量而进行的。
本发明的第三方面涉及氧化锌颗粒的生产方法，所述方法包括在反应室内热解含锌前体气溶胶的反应剂料流，而所述的热解是通过吸收光束的热量而进行的。
本发明还涉及一种反应系统，所述反应系统包括：
反应室，沿着反应剂通道有一出口；
反应剂输送装置它在反应室内混合从各反应剂入口输入的反应剂，以便使经混合的反应剂直接沿着反应剂通道；和
光源，它使光束直接对着沿着反应剂通道的混合反应剂。
在配置若干反应剂入口的反应系统的一些实施方案中，反应剂输送装置包括：
沿着反应剂通道产生气溶胶的气溶胶输送装置；和
在反应室内沿着反应剂通道使气态反应剂与气溶胶混合的气态反应剂输送装置。
气溶胶输送装置可以包括与气体供源连接的管道。
在反应系统的另一实施方案中，反应剂输送装置包括两个气体入口，用于在反应室内沿着反应剂通道混合两股气态反应剂。在另一些实施方案中，反应剂输送装置包括两个气溶胶输送装置，用于在反应室内沿着反应剂通道混合两股气溶胶反应剂。
反应系统还包括一个保护气入口，用于调节保护气体以限制沿着反应剂通道的混合反应剂的扩散。反应系统包括一个反应剂输送装置，该装置在反应室内混合从三个或多个反应剂入口沿着反应剂通道输送的三种或多种反应剂。
本发明的又一方面涉及化学粉末的生产方法，所述方法包括：
在反应室内混合从多个反应剂入口输入的两种反应剂，以使经混合的反应剂直接沿着反应剂通道；和
采用强光源对沿着反应通道流动的反应剂进行热解。
                        附图说明
图1是沿系统中心剖开的固态前体输送系统的示意截面图。
图2是沿激光辐射通道的中部剖开的激光热解装置的一个实施方案的示意截面图。下半部是带有一个或两个反应剂入口的喷嘴的底视图，而上半部是收集管的底视图。
图3是向图2激光热解装置输送蒸汽反应剂用的反应剂输送装置的示意图。
图4是向图2激光热解装置输送气溶胶反应剂用的反应剂输送装置的示意图。
图5是向图2激光热解装置输送两种气溶胶用的反应剂输送装置的示意图。
图6是激光热解装置的另一实施方案中反应室的示意透视图，其中反应室绘成透明以反映装置的内部。
图7是配有细长反应室的激光热解装置的一个实施方案的透视图。
图8是图7的激光热解装置的截面图，其中的截面是沿着图7的线8-8剖开的。
图9是热处理纳米颗粒装置的示意截面图，其中的截面是沿着装置的中心剖开的。
图10是加有发光材料层的显示器装置的一个实施方案的截面图。
图11是掺有发光用的发光材料的液晶显示器的一个实施方案的截面图。
图12是一种电场致发光显示器的截面图。
图13是配有场致发射显示器装置的平面显示器的一个实施方案的截面图。
图14是沿着装置的中心剖开的电阻器元件的示意截面图。
图15是经激光热解生产的氧化锌纳米颗粒的X射线衍射图。
图16是图15所示的X射线衍射图的纳米颗粒的TEM显微照片。
图17是图16TEM显微照片中所示的纳米颗粒的初级颗粒直径的分布曲线图。
                    优选方案的详细说明
粒径小的颗粒可用作改进型发光物质颗粒。特别是粒径在100纳米或以下的颗粒在用于生产显示器时具有优异的加工特性，而且它们有良好的发光。这些物质的带隙在颗粒的直径达100纳米或以下的数量级时是根据粒度而改变的。因此，具有选择性和窄的粒径分布的颗粒可用作一种颜色(波长)的发光物质，而具有类似的选择性平均直径和有窄的粒径分布的相同或不同物质的颗粒可用作颜色不同的发光材料。另外，小颗粒有利于生产高清晰度的显示器。
合适的颗粒一般是硫属化物，特别是ZnO、ZnS、TiO2和Y2O3。优选的颗粒具有所需的发射频率和较强的发光。另外，优选的颗粒具有持久的发射，即在电刺激物质后的很长一段时间内才出现发射衰减。具体地说，应该具有足够持久的发射，使得人们能觉察到。合适的颗粒一般是半导体，并借助带隙可以测定它们的发射频率。优选地，发光状态下具有一种能量，以使只有少部分的能量作为热能被浪费掉。
正如下面将描述的，激光热解是一种有效生产具有窄的平均粒径分布的ZnO、ZnS、TiO2和Y2O3颗粒的优良方法。颗粒大小分布一般减弱很快，以致没有明显的尾部。成功运用激光热解以生产适当小颗粒的一个基本特点是必要时产生一种含金属前体化合物、辐射吸收剂和起氧源或硫源作用的一种反应剂的反应剂料流。金属前体可以用作辐射吸收化合物和/或氧源。反应剂料流通过强激光束而热解。因吸收激光辐射而产生的强热量诱导处于氧或硫气氛下的金属化合物前体发生反应。当反应剂料流离开光束时，颗粒被迅速地骤冷。
可以提供蒸汽状态的反应剂以进行激光热解。还可提供一种或多种气溶胶反应剂。使用气溶胶形式的反应剂时，金属前体的使用范围比仅适合于以蒸汽形式供应的金属前体的使用范围宽。因此，在某些情况下可使用不太昂贵的气溶胶形式的前体。此外，气溶胶输送可用于高效的颗粒生产。适当地控制气溶胶的反应条件，就能生产粒径分布窄的纳米级颗粒。
尤其是，激光热解是形成氧化锌纳米颗粒的一种便捷途径。结晶氧化锌纳米颗粒的颗粒直径特小并且粒径分布极窄。氧化锌粉末适合用于发光材料，并且能够在各种其它的领域中使用，例如生产电子元件，例如各种类型的电阻器。A.采用激光热解生产颗粒
已经发现激光热解是生产纳米级发磷光颗粒的有效手段，特别是包括氧化锌颗粒在内。另外，通过激光热解生产的颗粒是一种便于进一步加工的物质，拓宽了所需氧化锌颗粒的生产渠道。因此，只采用激光热解法或与其它的方法结合使用，就能生产各种氧化锌颗粒。
反应条件决定了经激光热解生产的颗粒的质量。为了按要求的特性生产颗粒，能较精确地控制激光热解的反应条件。生产某一类型的颗粒的适当反应条件，一般是根据特定装置的设计。在下面的实施例中描述了在特定的装置中生产氧化锌颗粒所采用的具体条件。此外，可对反应条件和目标颗粒之间的关系进行一些全面的观察。
增大激光功率，导致反应区内反应温度升高以及骤冷速度的加快。快速骤冷速度有利于产生高能相，而这种高能相是不能用接近热平衡的方法获得的。同样，增加室压也有利于形成高能结构。此外，提高反应剂料流中作为氧源的反应剂的浓度，有利于生产氧含量高的颗粒。
反应剂的流速和反应剂气流的速度与颗粒大小成反比，因此提高反应剂气流的速率或速度将导致生产较小粒径的颗粒。同时，颗粒的生长动态对形成颗粒的大小影响较大。换句话说，在条件大致相同的情况下，不同形式的产品化合物在不同的阶段易于形成不同大小的颗粒。光的强度/激光功率也影响着颗粒的大小，增大光的强度，在熔融物质较少时有利于形成大颗粒，在熔融物质较多时有利于形成小颗粒。
激光热解一般是用气相反应剂进行的。只使用气相反应剂或多或少地限制了实际上可供使用的前体化合物的类型。因此，已经发展了一种技术，即向激光热解室内输入含反应剂前体的气溶胶。在Gardner等人提交的标题为“反应剂输送装置”的同时待审的并已转让的美国专利申请序列号09/188670中进一步描述了反应剂系统的改进型气溶胶输送装置，将该申请引入本文作为参考。
采用气溶胶输送装置时，可将固态前体化合物以溶解在溶剂中的形式输送。也可将粉末前体化合物分散在液体/溶剂中作为气溶胶输送。如有需要，可将液态前体化合物以一种由纯液体、多重液体分散液或液体溶液的气溶胶形式输送。使用气溶胶反应剂可大大提高反应剂的通过量。可选择使用任何类型的溶剂以获得所需溶液的特性。合适的溶剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇、其它有机溶剂和这些溶剂的混合物。溶剂的纯度应符合要求，以便形成的颗粒具有所需的纯度。很明显，某些溶剂例如异丙醇是吸收CO2激光器红外光的重要吸收剂，以致在反应剂料流中无需添加激光吸收化合物。
如果靠存在的溶剂形成气溶胶前体，那么这种溶剂优选在反应室内通过光束迅速地被蒸发掉，以便可以进行气相反应。因此，激光热解反应的基本特点未发生改变。但是，反应条件受气溶胶存在的影响。下面在实施例中，描述了在特定激光热解反应室内采用气溶胶前体生产氧化锌纳米颗粒的条件。因此，根据下面的描述进一步研究了与气溶胶反应剂输送有关的参数。
有许多合适的固态锌前体化合物可以以由溶液的气溶胶形式输送。例如，氯化锌(ZnCl2)和硝酸锌(Zn(NO3)2)可溶于水中和某些有机溶剂中，例如异丙醇中。这些化合物溶解在溶液中的浓度优选大于约0.5摩尔。一般来说，溶液中前体的浓度越大，通过反应室的反应剂的通过量就越大。但是，如果浓度增加，溶液会变得更稠，致使气溶胶液滴的大小比所要求的大。因此，对溶液浓度的选择应在选择溶液浓度时要考虑综合因素在内。
用于气态输送的合适锌前体化合物包括具有适当的蒸汽压的锌化合物，即这种蒸汽压足以在反应剂料流中提供需求量的前体蒸汽。必要时，可加热盛有液态或固态前体化合物的容器，以提高锌前体的蒸汽压。合适的固体，即具有足够的气态输送蒸汽压的锌前体例如包括氯化锌(ZnCl2)。加热和向激光热解装置中输送固态前体用的合适容器示于图1中。合适的液态锌前体化合物例如包括二乙基锌(Zn(C2H5)2)和二甲基锌(Zn(CH3)2)。
参见图1，用作蒸汽输送的固态前体输送装置50包括一个容器52和一个盖54。容器52和盖54之间有一垫圈56。在一个优选的实施方案中，容器52和盖54由不锈钢制成，垫圈56由铜制成。在该实施方案中，盖54和垫圈56被螺栓固定在容器52上。也可采用适宜向固态前体系统加温和加压的其它惰性材料例如Pyrex。容器52的四周环绕有带式加热器58，用来设定输送装置50的温度至所要求的值。合适的带式加热器可从OmegaEngineering Inc.Stamford，Conn购得。带式加热器的温度是可调的，用以产生所需的前体化合物的蒸汽压。为使离开容器52后的前体仍呈蒸汽状态，可加热前体输送系统的辅助部分。
理想地是，穿过盖54向容器52内插入一根热电偶60。可用Swagelok配件62或其它合适的连接方式插入热电偶60。管道64的作用是向容器52供入输入的载气流。管道64最好配有一关闭阀66并用Swagelok配件68或其它合适的连接方式穿过盖54而插入，输出管70最好也有一个关闭阀72。输出管70在密封连接件74处穿过盖54而插入容器52中。管64和70可由任何合适的惰性材料例如不锈钢制成。固态前体可以直接装在容器52内或装在置于容器52内的一个较小的开口容器内。
优选用作氧源的辅助反应剂例如包括O2、CO、CO2、O3和它们的混合物。这种辅助反应剂化合物在进入反应区之前应避免大量地与锌前体发生反应，因为反应的结果将形成大的颗粒。如果锌前体与辅助反应剂化合物发生反应，那么用一双喷嘴反应剂输送装置输送这两种反应剂，正如下面将进一步说明的，使两种反应剂在进入反应室之前不被混合。应注意：二乙基锌和O2之间会自发地发生反应。
激光热解在各种光频下都能进行。优选的光源是在电磁波频谱的红外区工作的。CO2激光器是特别理想的光源。反应剂料流中含有的红外吸收剂例如包括C2H4、异丙醇、NH3、SF6、SiH4和O3。O3可起红外吸收剂和氧源的双重作用。辐射吸收剂例如红外吸收剂吸收从辐射光束发出的能量并将该能量分布给其它的反应剂，以促成热解。
优选地，从光束吸收的能量以一非常速率升高温度，该温升速率是在控制条件下经放热反应产生热量所达到速率的数倍。当工艺一般包括非平衡情况时，温度大致基于吸收区的能量。定性地来看，激光热解法与在燃烧反应器中实施的方法不同，在燃烧反应器中是由能源引发反应的，而激光热解反应是通过放热反应散发出的能量而进行的。
使用惰性保护气可减少反应剂和与反应剂室各部件接触的产物分子的量。合适的保护气例如包括Ar、He和N2。
合适的激光热解装置一般包括与大气隔绝的反应室。与反应剂输送装置连接的反应剂入口提供流经反应室的反应剂料流。激光光束道贯穿反应区内的反应剂料流。反应剂料流在流经反应区后被连续地输送到出口处，在出口处，反应剂料流离开反应室并流入收集装置中。光源例如激光器一般被放置在反应室的外部，光束通过适当的窗进入反应室。
参见图2，在一个特定的实施方案中，激光热解系统100包括一反应剂输送装置102、反应室104、收集装置106、光源108和保护气输送装置110。在图2的装置中可使用另一反应剂输送装置102。下面描述的第一种反应剂输送装置仅能用于输送气态反应剂。描述的另两种反应剂输送装置用于输送一种或多种气溶胶的反应剂。
参见图3，反应剂输送装置102的第一个实施方案112包括一前体化合物源120。对于液体或固态反应剂，可向前体源120中输送来自一种或多种载气源122的载气，以便于输送反应剂。前体源120可以是一种固态前体输送装置50，如图1所示，或其它合适的容器。来自载气源122的载气优选是一种红外吸收剂和/或惰性气体。载气是以鼓泡通过液态反应剂化合物或输送到固态反应剂输送装置中。反应区中反应剂蒸汽的量大致与载气的流速成正比。可加热液体或固态反应剂，以提高其蒸汽压。同样可加热反应剂输送装置102某些部分，以防止反应剂化合物沉积在输送装置的壁上。
适当的时候，可直接从红外吸收剂源124和/或惰性气体源126供应载气。在管道128的单独位置使从前体源120输出的气体与从红外吸收源124和/或惰性气体源126输出的气体合并并混合。气体的合并是距反应室104有足够的长度，使得气体在进入反应室104之前已经充分混合。管道128中的合并气体通过一输送管130进入通道132中，并以流体与构成多个入口输送装置部分的反应剂入口134相通，如图3虚线所示。
由第二反应剂源138供应第二种反应剂，所述的第二反应剂源可以是一种液态反应剂输送装置、固态反应剂输送装置、气体柱或其它合适的容器。如果第二反应剂源138输送的是液体或固态反应剂，那么为了方便输送反应剂，可使用来自载气源122或另一载气源的载气。如图3所示，第二反应剂源138将第二种反应剂经管道128输送到输送管130中。另外，第二反应剂源138可将第二种反应剂输送到管道140中，再经输送管141输送到第二反应剂入口142中，如图3虚线所示。入口134、142彼此相对地稍成一角度地设置，便于气体的混合。
另一种方法是通过反应剂入口134和142输送反应剂，在第一种反应剂和第二种反应剂离开反应剂入口后在反应室内混合。如果反应剂自发地发生反应，例如二乙基锌和分子氧发生反应，那么这种方式是特别有利的。如果使用两种以上的反应剂，那么其它的反应剂在适当的时候或者需要的话同样可通过单独的反应剂入口134、通过双入口134、142或通过两个以上的反应剂入口进行输送。可采用质流控制器144以调节图3反应剂输送系统内的气体流速。
如上所述，反应剂流可包括一种或多种气溶胶。气溶胶既可以在反应室104内形成，也可以在注入反应室104之前在反应室的外部形成。如果气溶胶是在注入到反应室104之前形成的，那么可通过与输送气态反应剂的入口相当的反应剂入口，例如图3的反应剂入口134而输送气溶胶。
参见图4，反应剂供应系统102的另一实施方案150是用于向通道132供应气溶胶。如上所述，通道132构成了向反应室直接输送反应剂用的喷嘴的一部分，并且端部在反应剂入口134处。反应剂供应系统150包括一气溶胶发生器152、载气/蒸汽供应管道154和连接件156。通道132、气溶胶发生器152和供应管道154在连接件156的内部空间158处汇合。供应管道154使载气直接沿着通道132。气溶胶发生器152的安装方式应使得在进通道134的开口和供应管道154的出口之间的室158容积内产生气溶胶160。
气溶胶发生器152是根据各种原理工作的。例如，可借助超声喷嘴、静电喷雾系统、加压流动或单纯喷雾器、泡腾喷雾器或在高压下迫使液体通过一小孔并经一碰撞气流中击成颗粒的气体喷雾器而产生气溶胶。合适的超声喷嘴可包括压电转换器。配有压电转换器的超声喷嘴和合适的宽带超声发生器可从Sono-Tek Corporation，Milton，NY获得，其型号为8700-120。合适的气溶胶发生器在Gardner等人提交的标题为“反应剂输送装置”的同时待审并已转让的美国专利申请号09/188670中作了详细的描述，该申请引入本文作参考之用。其它的气溶胶发生器可通过其它部件162与连结件156连接，以便在连结件的内室158中产生额外的气溶胶，并输送到反应室内。
连结件156包括孔道162，以从连结件156的外部贯穿内室158。因此，可以适当地安装通道132、气溶胶发生器152和供应管道154。在一个实施方案中，连结件156呈立方形，有六个柱状孔道162，每一孔道162从连结件156的每一面伸出。连结件156可由不锈钢或其它耐用的抗腐蚀性材料制成。在一孔道162处最好封闭一窗口161，以用于肉眼观察内室158。从连结件156底部伸出的孔道162优选包括一排出口163，以使未经通道134输送的冷凝气溶胶可从连结件156中排出。
载气/蒸汽供应管道154与气源164连接。气源164可包括一个或多个装气体的容器，该容器与输送器连接，将选择的气体或气体混合物输送到供应管道154中。载气可通经液体前体输送装置或固态前体输送装置，使得载气含有液体前体或固态前体的蒸汽。因此，载气/蒸汽供应管道154可被用于输送各种气体和/或蒸汽入反应剂料流内，该反应剂料流例如包括激光吸收气体、反应剂和/或惰性气体在内。从气源164的气流流向供应管道154优选被一个或多个质流控制器166或类似器件控制。液体供应管道168与气溶胶发生器152连接。液体供应管道168与气溶胶发生器152和液体供应源170连接。在生产氧化锌颗粒时，液体供应源170中持有含锌前体的液体。
在图4所示的一个实施方案中，气溶胶发生器152产生一种差不多与从管道154流向通道132的载气流垂直且具有冲力的气溶胶。因此，从供应管道154的载气/蒸汽引导由气溶胶发生器152产生的气溶胶前体进入通道132中。在工作时，载气流引导内室158中输送的气溶胶进入通道132。按该方法，气溶胶的输送速度实际上由载气的流速确定。
在另一优选的实施方案中，气溶胶发生器向上与水平线成一角度地安置，以使气溶胶的向前冲力的成份定向沿着通道134。在一优选的实施方案中，由气溶胶发生器的定向出口以相对于进入通道134的开口所限定的正交方向即从供应管道154流向通道134的方向成一45°的角。
图5示出了反应剂输送装置102的另一实施方案172，用于输送两种气溶胶反应剂。气溶胶发生器173、174分别将气溶胶输入输送管道132、141中。通道132、141分别将反应剂输送到反应剂入口134、142中。气溶胶发生器173、174可以根据各种原理工作，正如对气溶胶发生器152描述的。
反应剂气体、惰性气体和/或吸光气体可按各种方式的任意一种方式供应到通道132、141中，如有需要，可通过气源176、177和气体供应管道179、180供入。例如，气体供应管道179、180可在各个位置上，即在气溶胶发生器173、174的上、下位置和与通道132、141的方向成一角度的位置上与通道132、141连接。必要时每一通道132、141可使用多个气体供应管道。另外，可以节省气溶胶发生器173、174中的任一个，以便于反应剂输送装置172分别通过反应剂入口134、142输送气溶胶和气态反应剂。
另一些实施方案是图5实施方案的一种改变形式，通过单个反应剂入口134输送反应剂。在这些实施方案中，有一单通道132。可以没有第二个气溶胶发生器或将其设计成与第一个气溶胶发生器一样的输送气溶胶进入相同的通道。因此，这些改变的实施方案可将一种气溶胶反应剂和气态反应剂、两种气溶胶反应剂或两种以上的反应剂与一种或多种气溶胶一起经单个反应剂入口134而输送到反应室104中。
参见图2，反应室104包括一主室200。反应剂供应系统102在喷嘴202的位置与主室200连接。可对反应室104进行加热，以使前体化合物呈蒸汽状态。当使用固态前体的蒸汽时，特别对整个反应室104进行加热，使其达到120℃。同样，当使用固态前体的蒸汽时，优选将氩保护气加热到约150℃。为确保前体不沉积在室上，需检查反应室的冷凝。
喷嘴202的端部有一用于通过惰性保护气体的环形开口204和用于通过反应剂的反应剂入口134以在反应室内形成反应剂料流。反应剂入口134优选呈一狭缝，如图2左下方的插图所示。环形开口204的直径例如为约1.5英寸，径向宽度为1/8-1/16英寸。从环形开口204流入的保护气体流有助于防止反应剂气体和产物颗粒扩散到整个反应室104中。对于具有两个反应剂入口134、142的实施方案，在喷嘴202的端部有两条缝隙或其它的形状的开口，如图2的右下插图所示。
管状部件208、210被安置在喷嘴202的任一侧上。管状部件208、210分别包括ZnSe窗212、214。窗212、214的直径约为1英寸。窗212、214优选是一柱状透镜，其焦距的长度等于室中心至聚焦光束成一点刚好在喷嘴开口中心下方的透镜表面之间的距离。窗212、214最好有一防反射涂层。合适的ZnSe透镜可从Janos Technology，Townshend，Vermont处获得。管状部件208、210使窗212、214远离主室200，使窗212、214几乎不受反应剂和/或产物的污染。例如，窗212、214被移至在距主室200边缘约3厘米的地方。
用一橡胶O形环将窗212、214对管状部件208、210密封，以防止大气流入反应室104。管状入口216、218向管状部件208、210供应保护气流，以减少对窗212、214的污染。管状入口216、218与惰性气体源220或与单独的惰性气体源连接。在每一种情况下，均通过一质流控制器222控制流向入口216、218的流速。
对准光源108，以产生一光束224，从窗212进入，从窗214射出。窗212、214界定了通过主室200而与反应区226的反应剂流动方向相交的光道。在光束222离开窗214后，射到也起束流收集器作用的功率计228上。合适的功率计可从Coherent Inc.，Santa Clara，CA获得。光源108可以是一种激光器或是普通的强光源例如弧光灯。光源108优选地是一种红外激光器，特别是CW CO2激光器，例如一种可从PRC Corp.，Landing，NJ获得最大输出功率为1800瓦的激光器。
流经反应剂入口134或入口134、142的反应剂在喷嘴202处形成一股反应剂料流。反应剂料流通经反应区226，在反应区226中发生包括锌或其它金属前体化合物在内的反应。视具体情况，极其快速地加热反应区226中的气体，加热速率大约在105度C/秒的量级。反应产物在离开反应区226时被迅速骤冷，在反应剂料流中形成颗粒230。工艺过程的非平衡特点导致形成了颗粒大小分布高度均匀和结构一致的纳米颗粒。
反应剂料流连续地流向收集嘴232。收集嘴232距喷嘴202的距离约2厘米。喷嘴202和收集嘴232之间的小空间有助于减少反应剂和产物对反应室104的污染。收集嘴232有一环形开口234，如图2右上方的插图。环形开口234进料入收集装置106。
用一与主室200相连接的压力表250监控室压。生产所需氧化物的优选室压一般在约80-700托的范围内。
反应室104有两个另外未示出的管状部件。一个管状部件伸入图2截面图的平面中，另一管状部件从图2截面图的平面上伸出。当从上面俯视时，4个管状部件大概对称地分布在室中心的周围。这些另外的管状部件上有观察室内情况的窗。在该装置的构造中，未采用两个另外的管状部件以生产颗粒。
收集装置106最好包括一个从收集嘴230引出的弯曲通道270。因为颗粒的尺寸较小，产物颗粒一般随着气流沿弯曲的通道流动。收集装置106包括一过滤器272，在气流内收集气流中的产物颗粒。由于通道270是弯曲的，因此过滤器不能直接设置在室的上方。有很多的材料例如聚四氟乙烯、玻璃纤维等都可以用作过滤器，只要这些材料是惰性的并具有足够细的孔以捕集颗粒。优选的过滤器材料例如包括从ACE Glass Inc.，Vineland，NJ获得的玻璃纤维过滤器和从AF Equipment Co.Sunnyvale，CA获得的柱状Nomex过滤器。
用泵274使收集系统106保持在所择压力下。可采用各种类型的泵。用作泵274的合适的泵例如包括从Busch，Inc.，Virginia Beach，VA获得的Busch B0024型泵，泵抽容量为约25英尺3/分钟(cfm)和从Leybold VacuumProducts，Export，PA获得的Leybold SV300型泵，泵抽容量为约195cfm。在将泵抽的废气流排放到大气中之前应使其先通过气体洗涤器276，以除去残存的任何反应产物。从通风和安全的角度考虑，整个系统100或系统的一些部分可以被装在一通风橱中。光源108因其尺寸过大一般被放置在通风橱的外面。
反应系统100或其一些部件最好由计算机280控制。计算机280通常是控制光源108和通过压力计250等仪表监控反应室104内的压力。还可用计算机280控制反应剂和/或保护气体的流速。通过插在泵274和过滤器272之间的手动针阀或自动节流阀控制泵抽速度。当室压因颗粒在过滤器272上聚集而增大时，手动阀或节流阀可调节以保持泵抽速度和相应的室压。
可连续地进行反应，直到过滤器272收集了足够颗粒，以致不再需要泵274来保持反应室104内所需的压力，以抵抗通过过滤器272遇到的阻力。当反应室104内的压力不再保持在所要求值时，反应被终止，撤去过滤器272。采用该实施方案，在不再保持室压之前，一次单循环大约能收集到1-300克的颗粒。根据生产颗粒的品种和采用的过滤器类型，一次单循环需耗时大约10小时。
参见图2，保护气体输送装置110包括与惰性气体输送管292连接的惰性气体源220。惰性气体输送管292插进环形通道294中。质流控制器296调节流向惰性气体输送管292的惰性气体的流。如果采用图3所示的反应剂输送装置112，那么必要时惰性气体源126也起输送管192用的惰性气体源的作用。同样可使用单个气体源向惰性气体输送管292和管道216、218供应气体。
可较精确地控制反应条件。质流控制器是相当精确的。激光器的功率稳定性大约在0.5％范围内波动。如果采用手动控制阀或节流阀，可将室压差控制在约1％范围内。
反应剂供应系统102和收集系统106的构造可以颠倒过来。在另一构造中，从反应室的顶部供入反应剂，而从反应室的底部收集产物颗粒。如果收集系统106安装在反应室104的下方，那么收集系统106可以不配置弯曲部件，使收集过滤器直接安装在反应室104的下方。
在提交的标题为“通过化学反应有效生产颗粒的方法”的同时待审并已转让的美国专利申请号08/808850中已经描述了激光热解系统的另一种设计形式，该申请引入本文作为参考。这一设计形式主要是想通过激光热解生产工业级规模的颗粒。反应室沿着激光束延伸，其长度方向与反应剂料流垂直，增大了反应剂和产物的通过量。装置的原设计是根据气态反应剂的引入而设计的。在Gardner等人于1998年11月9日提交的标题为“反应剂输送装置”的同时待审并已转让的美国专利申请号09/188670中已经描述了将气溶胶输送到细长形反应室内的另一实施方案，将该申请引入本文作为参考。
另一热解装置一般包括设计成减少室壁污染的反应室，旨在提高产率和有效利用资源。为了实现该目的，采用一种细长形反应室，能够扩大反应剂和产物的通过量，而不相应地增加室内的死容积。室内的死容积会受到未反应化合物和/或反应产物的污染。
图6示意地示出了改进型反应室300的一种设计方案。反应剂入口302通向主室304。反应剂入口302一般与主室304的形状相适应。主室304包括沿着反应剂/产物料流排出粒状产物、任何未反应气体和惰性气体的出口306。在反应剂入口302的两侧设置有保护气体入口310。保护气体入口的设计应使反应剂料流的两侧上形成惰性气体层，以防止室壁和反应剂或产物接触。
管状部件320、322贯穿主室304。管状部件320、322上有一窗324、326，限定了通过反应室300的光束通道328。管状部件320、322可包括惰性气体入口330、332，用于向管状部件320、322中输送惰性气体。
改进型反应系统包括一收集装置，以收集反应剂料流中的纳米颗粒。该收集系统可被设计成批量收集颗粒的模式，在停止生产之前收集大量的颗粒。或者，该收集系统可被设计成连续生产的模式，通过转换收集装置中不同颗粒的收集器或通过收集颗粒但不将收集系统暴露在大气中。在Gardner等人提交的标题为“颗粒收集装置和相关方法”的同时待审并已转让的美国专利申请号09/107729中已经描述了连续生产颗粒用的收集装置的另一优选实施方案，该申请引入本文作为参考。该收集装置包括在流动通道内与图2所示收集装置的弯曲部分类似的弯曲部件。
参见图7，示出了具有细长反应室的激光热解反应系统的具体实施方案350。在该实施方案中，将反应室连同仅输送气态反应剂的反应输送装置或能输送气溶胶反应剂以及任何所要的气体的反应剂输送装置一起使用。激光热解反应装置350包括有反应室352、颗粒收集装置354、光源356和连接在入口364处的反应剂输送系统。
反应室352包括位于反应室352底部的入口364，在那儿反应剂输送装置与反应室352连接。与反应剂输送装置相连的喷嘴伸进反应室352。气态反应剂通过与细长反应室352相匹配的细长喷管被输送到反应室352中。气溶胶同样被计算输送到细长形反应室中。
在该实施方案中，从反应室352的底部输送反应剂，而在反应室352的顶部收集产物。若有需要，这种构造也可颠倒过来，即从反应室352的顶部输送反应剂，从反应室352的底部收集产物。保护气管道可设置在反应剂入口364周围的适当位置上。保护气管道导引保护气体沿着反应室352的壁输送，以防止反应剂气体或产物与反应室壁接触。
反应室352沿着图7用“W”表示的方向延伸。激光光束道366经过窗368沿着从主室372伸出的管道370进入反应室352并横过反应室352的拉长方向，激光束通过管道374并从窗376射出。在一优选的实施方案中，管道370和374移动窗368和376以距主室372约11英寸。激光束终止于光束收集器378。在工作时，激光束与通过反应剂入口364输送的反应剂料流交叉。
主室372的顶部通向颗粒收集系统354。颗粒收集系统354包括与主室372的顶部连接的排出管380，以接受从主室372流出的料流。排出管380将产物颗粒引出反应剂料流面而输送到柱形过滤器382中，如图8所示。过滤器382的一端有一帽384，以堵住直接流向过滤器382中心的料流。过滤器382的另一端固定一圆板386。园板386的中心固定一通孔388，以接近过滤器382的中心。通孔388通过输送管与泵连接。
因此，通过从反应室352液流流向泵而在过滤器382上捕集产物颗粒。合适的泵如同图2中的第一种激光热解装置所描述的。可用作过滤器382的合适过滤器例如包括Saab 9000汽车用的空气净化过滤器(Purilator partA44-67)，它是一种配有PlasticolTM或聚氨酯端帽384的浸蜡的纸。反应剂注入部件和收集系统的构造可以被颠倒设置，以使从装置的顶部收集颗粒。
图7和8所示的收集装置适合于批量操作的反应室352，当过滤器382不再收集其它颗粒时，反应室就停止工作。如上所述，有另一种收集装置适合于连续运行反应室352。
设计的细长反应室352和反应剂入口364的规模应能高效生产颗粒。当采用1800瓦的CO2激光器时，生产氧化锌纳米颗粒用的反应剂入口364的合理尺寸是约5毫米-1米。
如上所述，氧化锌颗粒的特性可通过进一步处理而改变。特别是在氧化气氛或惰性气氛的炉中加热氧化锌纳米级颗粒，可改变氧含量、改变晶格或除去颗粒上吸附的化合物，以提高颗粒的质量。
要进行热处理的起始原料可以是任意收集的具有任意大小和形状的氧化锌颗粒。纳米级颗粒是优选的起始原料。合适的纳米级起始原料是采用激光热解法生产的。另外，用作起始原料的颗粒在不同的条件下进行了一次或多次在先加热处理步骤。在1997年7月21日提交的标题为“氧化钒颗粒的热处理”的同时待审并已转让的美国专利申请号08/897903中进一步地讨论了在炉中对金属氧化物纳米级颗粒进行的处理，该申请引入本文作为参考。
最好在炉等加热装置中加热氧化锌颗粒，以便均匀加热。处理条件应适中，以防止大量的颗粒被烧结。加热温度应低于起始原料和产品物质的熔点。
热处理的气氛可以是氧化气氛或惰性气氛，尽管与试样接触的气体性质决定可形成不同的产物。大气炉中的颗粒处于静态，或气体流动地通过该系统。合适的氧化气体例如包括O2、O3、CO、CO2和它们的混合物。O2来源于空气。
氧化气体可任选地与惰性气体例如Ar、He和N2混合。若使惰性气体与氧化气体混合，那么气体混合物中的氧化气体占约1-99％，优选占5-99％。另外，必要时可使用基本上纯的氧化气体或纯的惰性气体。
改变实际的处理条件，就能改变所产生的氧化锌产物的特性。例如，如有必要，温度、加热时间、加热和冷却速率、气体和与气体有关的暴露条件都是可以改变的。一般而言，当在氧化气氛下进行加热时，达到平衡前的加热时间越长，掺入到物质中的氧量就越大。一旦达到了平衡条件，整个条件就决定了粉末的晶相。
各种炉类的加热装置都可用于加热。图9示出了进行这类处理用的合适装置400的一个实例。装置400包括一个由玻璃或其它惰性材料制成的大口瓶402，瓶内装有颗粒。合适的玻璃瓶是从Ace Glass(Vineland，NJ)获得的。玻璃瓶402的顶部用玻璃瓶402和玻璃盖404之间的Teflon垫圈405向玻璃盖404密封，可用一个或多个夹具将玻璃盖404固定就位。玻璃盖404上穿有多个孔406，每一孔都配有一个Teflon刷。通过玻璃盖404的中心孔406插入一根多叶不锈钢搅拌器408。搅拌器408与合适的电动机连接。
通过孔406插入一根或多根管410，用于向瓶402内输送气体。管410可以由不锈钢或其它惰性材料制成。管410的尖端有一扩散器412，以分配瓶402内的气体。瓶402的四周安装有加热器/炉414。合适的电阻加热器是从Glas-col(Terre Haute，IN)获得的。另一孔中最好插入一T型连接器416。借助插入T型连接器416中的热电偶以测量瓶402内的温度。T型连接器416还可与通气孔418连接。通气孔418使气体循环地通过瓶402。通气孔418优选与一通风橱或另一通风设备连通。
优选地，所需的气体流经瓶402。管410一般与氧化气体源420和/或惰性气体源422连接。氧化气体源420和惰性气体源422可以是气瓶或任何其它合适的容器。来自适当气源的氧化气体、惰性气体或它们的混合气体在瓶402内形成所要求的气氛。
可以使用不同的流速。流速优选为1-1000厘米3/分钟(sccm)，更优选为10-500sccm。尽管必要时在整个处理过程中可改变流速和气体的组成，但是整个处理过程中的流速是恒定的。或者，可以采用静态气氛。
在处理氧化锌时，例如处理温度优选在约50-500℃，更优选在约60-400℃。颗粒的加热时间优选在5分钟以上，一般在5分钟至100小时。优选连续加热2-100小时，更优选2-50小时。对于某一指定产品颗粒，额外的加热不应改变颗粒的组成。
可使用某些经验调节以产生适于生产所要求材料的条件。采用适中的处理条件，可以避免颗粒间发生烧结，从而形成较大的颗粒。在产生平均粒径较大的颗粒的稍高温度下可对颗粒的烧结进行适当的控制。B.颗粒特性
有利收集的初级颗粒平均粒径小于150纳米，优选小于95纳米，更优选在5-50纳米，最优选在5-25纳米的颗粒。初级颗粒一般具有大致球形的总外观。在更精密的测试中，结晶氧化锌颗粒一般具有相应于底层晶格的小平面(facet)。不过初级颗粒会继续生长，其生长大小大约是其物理大小的3倍，得到一种总体上呈球形的外观。通常有95％的初级颗粒，优选99％的初级颗粒具有的长轴与短轴之比小于2。不对称颗粒直径的测量是根据测量颗粒的主轴长度，取其平均值而确定的。
初级颗粒因其粒径较小和由于van der Waals和其它相近颗粒之间的电磁力而易于形成松散的团聚体。不过用透射电子显微镜观测颗粒时，初级颗粒的纳米级仍然是清晰可见的。在显微照片上观察到颗粒一般具有与纳米级颗粒相对应的表面积。由于颗粒的粒径小并且单位重量的物料具有较大的表面积，因此颗粒的特性较一致。
此外，由于其粒径小并且单位重量的物料具有较大的表面，颗粒特性较一致。在相关的颗粒中，颗粒具有改变的带结构，下面将对此作进一步的说明。大的表面积导致颗粒具有高的光强。
初级颗粒的尺寸最好具有高度一致性。用透射电子显微镜观察可以看出颗粒具有粒径分布，至少约95％，优选99％的初级颗粒的直径大于平均直径约40％和小于平均直径约160％。优选地，初级颗粒要具有这样的粒径分布，即至少约95％的初级颗粒的直径大于平均直径的约60％和小于约平均直径的140％。
另外，初级颗粒中，基本上没有直径大于平均粒径约4倍，优选约3倍，更优选约2倍的颗粒。换句话说，颗粒大小分布实际上不存在少量的颗粒大小过大的尾部。这是反应区较小和对应的颗粒快速骤冷的结果。在尾部明显的截止说明，在106个颗粒中仅有1个以下颗粒的直径大于平均直径以上属于需除去的颗粒的直径。颗粒所具有的窄的粒径分布、分布中几乎不存在尾部和大致球形的形态使得它们的应用范围很广，尤其是用作具有窄发射范围的发光物质。
由于结晶粒度较小的缘故，颗粒的带特性是改变的。带隙的增加几乎与1/(粒径)2成正比。对于特别小的颗粒，物态的密度会很低，低到足以使带的描述变得不完全而作为单分子轨函数可起很重要作用，无需从定性的角度考虑，就解释了表征电子特性的分子轨函数。
另外，由于小颗粒的均匀分布，降低了不均匀范围的扩大，使得发射的光谱较窄。结果，具有取决于平均粒径的发射达最大值的发射光谱变得更陡。因此，使用很小的颗粒，无需使用第二种金属激发发磷光的颗粒就能调节发射特征。
而且，小粒度颗粒能够形成极薄的薄层。薄层的优点是可以使用较低速度的电子，因为电子不会深度地渗透到该薄层中。小粒度颗粒也是导电的以形成的小图样(pattern)，例如采用照相平版印刷，在图样的象素之间形成锐利的边缘。少量锐利的单个象素的形成对形成高清晰度显示器是至关重要的。
另外，纳米颗粒的纯度一般很高。按上述方法生产的结晶氧化锌纳米颗粒的纯度要高于反应剂气体的纯度，原因是结晶形成过程中易于从晶格中除去杂质。用激光热解法生产的结晶氧化锌颗粒的结晶度较高，至少是表面畸变。
尽管在一定的条件下可以形成混合相物质，但是可有效地利用激光热解生产单相结晶颗粒。初级颗粒一般是由单结晶物质形成的。颗粒的单相、单结晶性质与颗粒的均匀性和窄的粒径分布一起是有利地使用。在某些条件下进行激光热解会形成无定形颗粒。在温和条件下，对一些无定形颗粒进行热处理会使其变成结晶颗粒。
氧化锌至少是按ZnO(六方晶、红锌矿结构)或ZnO2具有化学计量的。若要选择氧化锌的特定化学计量，可改变工艺参数。C.发光物质、显示器和电阻器
本申请中描述的颗粒可用作发光物质。发光物质在被激发后发出光，优选是可见光。可用各种方式激发发光物质，特定的发光物质对一种或多种激发途径敏感。发出荧光的具体类型包括阴极发光、光致发光和电致发光，它们分别被电子、光和电场激发。许多适合于用作阴极发光物质的物质也适合于用作电致发光物质。
特别是颗粒适合于用低速电子激发，电势低于1KV，优选低于100V的加速电子。小的颗粒使得它们适合于低速电子激发。平均直径小于约100纳米的颗粒在被低速电子激发时能发出高强光。采用发光颗粒可生产各种类型的基于低速电子、高速电子或电场的显示器装置。
参见图10，显示器装置500包括，在一侧上有一层发光物质层504的阳极502。发光物质层面对具有适当形状的阴极506，所述阴极是用于激发发光物质的电子源。在阳极502和阴极506之间放置一栅阴极508，以控制从阴极506流向阳极502的电子流。
采用阴极射线管(CRTs)长时间地形成图象。CRTs一般使用较高电子速。如上所述，发光颗粒一如既往地以便利的形式供应各种颜色的颗粒，降低发光物质的层厚和在指定的光度下减少发光物质的用量。CRTs一般具有图10所示的结构，只是阳极和阴极是被距离较大并以转向电极隔开，而不是被一般用来导向电子从阴极流向阳极的栅极电极隔开。
其它优选的应用包括生产平面显示器。平面显示器是基于诸如液晶或场致发射装置一类的装置。液晶显示器是基于各种光源的任一种光源。发光物质可被用于生产液晶显示器的发光。参见图11，液晶元件530包括围绕液晶层536的至少部分透光的基片532、534。光是通过阳极540上的发光物质层538发出的。阴极542是激发发光物质层538的电子源。例如在US5504599中描述了另一实施方案，将该专利引入本文作为参考。
也能用来自电致发光显示器的背后照明来照明液晶显示器。参见图12，电致发光显示器550有一导电基片552，导电基片起第一电极的作用。导电基片552例如可由铝、石墨等物质制成。第二电极554是透明的，例如可由铟锡氧化物制成。在电极552、554之间紧靠第一电极552的位置设置一介电层556。介电层556包括介电粘合剂558，例如氰乙基纤维素或氰乙基淀粉。介电层556还包括铁电材料560例如钛酸钡。介电层556不需要dc驱动(与ac驱动相反)的电子发光装置。在透明电极554和介电层556之间有一发光物质层562。发光物质层562包括在介电粘合剂566中的电致发光颗粒564，例如氧化锌纳米颗粒。材料的相对尺寸，不必度量。
电致发光显示器550也能用作其它的显示器，例如汽车仪表盘(dashboard)和控制开关照明。另外，已经设计了复合型液晶/电致发光显示器。参见Fuh等人，Japan J.Applied phys.33：L870-L872(1994)，该文献引入本文作为参考。
参见图13，基于场致发射装置的显示器580包括以较小间距隔开的阳极582和阴极584。每一对电极构成一单独的可寻址的象素。在每一阳极582和阴极584之间有一发光物质层586。发光物质层586包括上述发出磷光的纳米颗粒。在特定的可寻址的位置设置具有选择性发射频率的发磷光的颗粒。发光物质层586被从阴极584流向阳极582的低速电子激发。栅电极588可用于加速和聚焦电子束以及直接在发光物质层586上开/关电子。在阳极582和栅电极588之间有一电子绝缘层。所述元件一般是采用照相平版印刷或类似的技术例如生产集成电路的溅射和化学气相沉积法生产的。如图13所示，阳极582应该至少部分是透明的，以允许透过由发光物质586发出的光。
US5651712公开了一种安装了场致发射装置的显示器，在所述场发射装置具有以沿所要求光传播方向的边缘(而不是面)的定向的发光物质层，该专利引入本文作为参考。该专利展示的结构中安装有滤色器，以产生所需的发射颜色，而不是使用按要求频率发射的发光物质。根据对上述颗粒的描述，应该使用经选择的发光物质颗粒来产生不同颜色的光，从而节省必要的滤色器。
可直接向基片上施加纳米颗粒，以构成上述结构。或者，可将纳米颗粒与粘合剂例如在基片上使用的可固化聚合物混合。采用照明平版印刷或其它合适的在基片上印刷图样的技术将含有可固化粘合剂和发光物质纳米颗粒的组合物施加在基片上，例如在生产集成电路板时使用的基片。一旦组合物沉积在基片的适当位置上，就将该物质置于合适的条件下，使聚合物固化。借助电子束辐射、UV辐射或其它合适的技术固化聚合物。
在生产电子元件例如电阻器时也可使用氧化锌颗粒。图14示意地示出了电阻器的横截面。电阻器480包括金属导线482、484。氧化锌纳米颗粒486被埋置在复合体488中。复合体可包括其它的金属氧化物颗粒和/或碳化硅颗粒。电阻器480包括一电绝缘覆盖层490。
特别是，可用氧化锌粉末生产电阻随电压改变的变阻器。电阻材料可进一步包括各种添加剂，例如Bi2O3、Sb2O3、SiO2、Co2O3、MnO2、其它金属氧化物和SiC。可将各种材料与粘合剂混合。煅烧所形成的混合料。向所述结构上固定合适的导线和施加绝缘涂层，以形成一种电子元件。Imai等人的US5250281进一步地公开了各种变阻器的构型，该专利引入本文作为参考。
除了实施方案中具体描述的装置外，发光物质颗粒适合于在各种其它的装置中使用。
实施例
本实施例中描述了按激光热解法合成氧化锌颗粒。主要采用上述的图2激光热解装置和图4的反应剂输送装置生产颗粒。
将硝酸锌·6H2O(Aldrich Chemical Co.，Milwaukee，WI)前体以去离子水制成的4M硝酸锌水溶液的气溶胶的形式引入反应室中。使用C2H4气体作为激光吸收气体，分子氧作为氧源，氩气用作惰性气体。Ar、O2和C2H4在图4的装置中是作为载气输送的。含Zn(NO3)2、Ar、H2O、O2和C2H4的反应剂混合物被输送到反应剂喷管中，以将它们喷入反应室中。反应剂喷管具有一5/8英寸×1/4英寸的开口。表1具体列出了激光热解合成该实施例颗粒的其它参数。
表1
晶相 氧化锌(ZnO)+未被识别的
晶体结构 红锌矿
压力(托) 450
氩气F.R.-Window(SLM) 2.24
氩气F.R.-Shielding(SLM) 9.86
乙烯(SLM) 1.42
氩气(SLM) 8.35
氧气(SLM) 1.71
激光器输入功率(瓦) 970
激光器输出功率(瓦) 770
前体 硝酸锌水溶液
前体摩尔量 4M
前体温度℃ 室温
slm＝升/分钟氩气-Win.＝通过入口216、218的氩气流量氩气-Sld.＝通过环形通道142的氩气流量
氧化锌颗粒的生产速率为3克/小时。为了评测原子排列，在SiemensD500 X-射线衍射仪上，用Cu(Kα)辐射线通过X射线衍射测定试样。图15示出了在表1所列条件下生产的试样的X射线衍射图。颗粒具有对应于氧化锌，ZnO的X射线衍射图。在衍射图中在2θ为约22°处的锐峰未被识别，表明试样中有另一种晶相存在。集中在2θ为约18°的宽峰表明有未被识别的无定形相存在，可能是无定形的氧化锌。因此，产物粉末中明显地有3相物质存在。
对产物粉末进行元素分析表明有71.55％(重量)的锌和少量的杂质，即1.68％(重量)的碳、0.2％(重量)氮和0.08％(重量)的氢。颗粒大概是由于存在碳的缘故呈灰色。假定剩余量是氧，那么该物质相对于ZnO来说是多少有些富含氧。有预先未知的氧化锌相存在。在氧气氛适度条件下加热除去碳杂质。在Kumar等人提交的标题为“氧化铝颗粒”的同时待审并已转让的专利申请序列号09/136483中进一步描述了从金属氧化物纳米颗粒中除去碳杂质的方法，该申请引入本文作为参考。
基于这些结果，可根据经验改变反应条件，以获得单相结晶氧化锌，可通过改变工艺参数，例如反应剂流速、压力和激光器功率/温度，以确定单相结晶氧化锌的生产条件。因为按表1所列条件能生产大量的结晶氧化锌，所以适合于生产单相物质的参数应该与这些参数类似。
采用透射电子显微镜(TEM)测定颗粒大小和形态。图16示出了在表1条件下生产的颗粒的TEM照片。图17示出了对应的颗粒大小分布。通过人工测量图16照片中清晰可见的颗粒的直径大致地确定粒径分布。仅测量照片中那些具有清楚颗粒边界的颗粒，避免测量变形的颗粒或模糊不清的颗粒。这样取得的测量应该是较精确的，不会出现误差，因为单幅图不能清楚地示出全部颗粒的外貌。图17示出的颗粒大小分布是多相物质的双模态或三模态(bimodal or trimodel)分布。如上所述，不同相的物质，形成的颗粒大小不同。如果在选定的条件下进行激光热解以生产单相的产物颗粒，那么窄的大小分布导致形成特定相的颗粒。特别是，所得到的单相结晶氧化锌具有极窄的颗粒大小分布，大致对应于图17中三个峰宽中的一个。
上面描述的实施方案旨在说明本发明，而不是对本发明的限制。在所附的权利要求书中给出了其它的实施方案。尽管本发明参照优选的实施方案进行了描述，但是本领域的熟练技术人员应该认识到在不偏离本发明精神和范围的前提下可作各种改变。

Claims (28)

1.颗粒的收集，它包括结晶氧化锌，收集平均直径小于约95纳米的颗粒的。
2.根据权利要求1颗粒的收集，其中收集平均直径在5-50纳米的颗粒。
3.根据权利要求1颗粒的收集，其中收集平均直径在5-25纳米的颗粒。
4.根据权利要求1颗粒的收集，其中实际上不存在直径大于收集颗粒平均直径约4倍的颗粒。
5.根据权利要求1颗粒的收集，其中实际上不存在直径大于收集颗粒平均直径约3倍的颗粒。
6.根据权利要求1颗粒的收集，其中收集的颗粒具有的颗粒大小分布，至少约95％的颗粒的直径大于约平均直径的40％和小于约平均直径的160％。
7.电阻器元件，它含有权利要求1收集的颗粒。
8.根据权利要求7的电阻器元件，其中元件是变阻器。
9.根据权利要求8的电阻器元件，其中变阻器具有非线性的电压函数关系。
10.氧化锌颗粒的生产方法，该方法包括在一反应室内热解含锌前体和氧源的反应剂料流，其中热解是通过吸收光束的热量进行的。
11.根据权利要求10的方法，其中氧化锌颗粒具有的平均直径小于约150纳米。
12.根据权利要求10的方法，其中氧化锌颗粒具有的平均直径为约5-50纳米。
13.根据权利要求10的方法，其中光束是通过CO2激光器产生的。
14.根据权利要求10的方法，其中锌前体包括选自ZnCl2和Zn(NO3)2的锌化合物。
15.根据权利要求10的方法，其中反应剂料流中的锌前体是一种蒸汽。
16.氧化锌颗粒的生产方法，该方法包括在一反应室内热解含锌前体气溶胶的反应剂料流，其中热解是通过吸收光束的热量进行的。
17.根据权利要求16的方法，其中锌前体包括选自氯化锌、硝酸锌、二甲基锌和二乙基锌的化合物。
18.根据权利要求16的方法，其中反应剂料流还包括一种氧源。
19.根据权利要求17的方法，其中光束是通过CO2激光器产生的。
20.根据权利要求16的方法，其中锌前体包括二乙基锌和反应剂料流还包括一种氧源，所述的二乙基锌和氧源是通过不同的喷管输入反应室中的。
21.反应系统包括：
反应室，它沿着反应剂通道有一出口；
反应剂输送装置，它在反应室内混合从各反应剂入口输送的反应剂，以使经混合的反应剂直接沿着反应剂通道；和
光源，使光束直接对着沿反应剂通道的混合反应剂。
22.根据权利要求21的反应系统，其中反应剂输送装置包括：
沿着反应剂通道产生气溶胶的气溶胶输送装置；和
在反应室内沿着反应剂通道使气态反应剂与气溶胶混合的气态反应剂输送装置。
23.根据权利要求22的反应剂系统，其中气溶胶输送装置包括与气体供源连接的管道。
24.根据权利要求21的反应系统，其中反应剂输送装置包括两个气体入口，用于在反应室内沿着反应剂通道混合两种气态反应剂。
25.根据权利要求21的反应系统，其中反应剂输送装置包括两个气溶胶输送装置用于在反应室内沿着反应剂通道混合两种气溶胶反应剂。
26.根据权利要求25的反应系统，其中至少一种气溶胶输送装置包括与气体供应源连接的管道。
27.根据权利要求21的反应系统，其中还包括用于调节保护气体以限制沿着反应剂通道的混合反应剂扩散的保护气体入口。
28.根据权利要求21的反应系统，其中反应剂输送装置在反应室内沿着反应剂通道混合3种反应剂。
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