一種硅納米線的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及納米器件制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種娃納米線的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米線可以被定義為一種具有在橫向上被限制在100納米以下(縱向沒有限制)的一維結(jié)構(gòu)。這種尺度上，量子力學(xué)效應(yīng)很重要，因此也被成為“量子線”。典型的納米線的縱橫比在1000以上，因此它們通常被稱為一維材料。作為納米技術(shù)中的一個重要組成部分，納米線可以被用來制作超小電路。根據(jù)莫爾(Moore)定律總結(jié)的趨勢，相比于研究開發(fā)更小的最小線寬的加工技術(shù)來制造尺寸更小的電子器件，利用納米結(jié)構(gòu)的量子效應(yīng)而構(gòu)成的全新量子結(jié)構(gòu)體系“從下至上”的組裝納米電子器件更具備前瞻性和突破性。
[0003]娃納米線是一維納米材料，由于其特殊的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用前景受到越來越尚的關(guān)注。娃納米線具有量子尺寸效應(yīng)、良好的光吸收特性、尚的表面體積比及良好的光電導(dǎo)等特性，在電子、光電子(如光電二極管、光電晶體管、場效應(yīng)管、傳感器、光探測器及太陽能電池等方面)和納米電子機(jī)械、器械中，均具有潛在開發(fā)價值，它同時還可以作為合成物中的添加物、量子器械中的連線、場發(fā)射器和生物分子納米感應(yīng)器等。
[0004]目前，制備硅納米線的方法主要有化學(xué)氣相沉積法(CVD)，物理氣相沉積沉積法(PVD)以及金屬輔助化學(xué)刻蝕法。CVD法主要包括等離子體化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、常壓化學(xué)氣相沉積法(APCVD)、低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)及熱絲化學(xué)氣相沉積法(HFCVD)。PVD方法主要包括激光燒蝕法、電子束蒸發(fā)法、熱蒸發(fā)法及磁控濺射法。
[0005]上述CVD方法都要用到硅烷或四氯化硅作為硅源，然而硅烷或四氯化硅屬于有毒氣體，且在空氣中容易燃燒，稍有不慎就會引發(fā)火災(zāi)或中毒現(xiàn)象，十分危險。PVD方法雖然使用硅塊或硅粉作為硅的來源，但是所生長的硅納米線表面彎曲，產(chǎn)量低，且設(shè)備條件苛刻。金屬輔助化學(xué)刻蝕法具有方法簡單，生長的硅納米線垂直，但使用很多有危險性的化學(xué)藥品，對人體危害較大；除此之外，參見專利申請?zhí)枮?012100159907，公開號為102560493A，公開日期為2012年7月11日的中國專利，該發(fā)明人采用較簡單的方法制備出硅納米線，制備方法包括:先在潔凈硅片上進(jìn)行銀鏡反應(yīng);然后將其放入刻蝕液中在一定溫度下刻蝕;刻蝕完成后進(jìn)行水洗后除銀。該方法反應(yīng)條件溫和，設(shè)備簡單。該制備方法銀膜形貌是決定硅納米線形態(tài)的關(guān)鍵因素，但是從實施例可以看銀膜中銀粒子的尺寸、間距可控性不強(qiáng)，對于后續(xù)硅納米線生長形態(tài)有嚴(yán)重的影響；并且在硅片上進(jìn)行銀鏡反應(yīng)需要在溶液體系下進(jìn)行，所以容器壁也會有銀的析出，這將導(dǎo)致原料的損耗和成本的提高。況且基于上述方法制備硅納米線，大多數(shù)都是在單晶硅片上生長，這增加了硅納米線的生長成本。
[0006]硅納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)與尺寸和形狀有很大的關(guān)系，因此發(fā)展簡便的、形狀和尺寸可控的制備方法尤其重要。借助有序排列技術(shù)如模板法來實現(xiàn)硅納米線的有序排布已經(jīng)應(yīng)用在娃納米線的制備中，其中，在娃納米線的生長過程中模板是起到了限定娃納米線的直徑、生長位置和生長方向的作用。但是模板法存在以下缺點:每次制備的納米線數(shù)量有限，模板分離過程有可能損傷納米線，另外，硬模板得到的納米線多為多晶結(jié)構(gòu)。(參考期刊文章:胡曉歌，王鐵，程文龍，等.金屬納米線的合成與組裝[J].分析化學(xué)，2004,9.)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于上文所述，本發(fā)明目的在于，首次提出在鍍有ITO膜層的襯底上用離子束輔助制備硅納米線的方法。本發(fā)明不僅可以實現(xiàn)納米粒子的選擇性位置生長與納米粒子的直徑大小和分布密度的可控，而且解決了模板輔助帶來的模板分離過程可能損傷納米線以及模板法得到納米線多為多晶結(jié)構(gòu)的問題;在提高硅納米線單晶純度的同時有效地降低了制備成本和風(fēng)險。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明特提供如下的技術(shù)方案，具體包括以下步驟:
[0009]步驟1:將鍍有ITO膜層的襯底清洗干凈后，放入真空度為3X 10—3的真空室中，并將襯底加熱到90°C?150°C;
[0010]步驟2:用氫離子束轟擊處理步驟I所述襯底的ITO膜層面，使其表面還原出固態(tài)的In與Sn納米粒子。
[0011]步驟3:將步驟2所得襯底加熱到200°C?400°C后，用電子束蒸發(fā)硅塊，在所述襯底上沉積硅原子，最終生長出硅納米線。
[0012]本發(fā)明發(fā)明了一種制備硅納米線的新方法，將離子源與電子束結(jié)合起來，該方法目前還沒有嘗試，該方法的大致過程是先用氫離子源去轟擊處理ITO玻璃導(dǎo)電面形成金屬納米粒子，然后用電子束蒸發(fā)硅塊，借助VLS(氣-液-固)生長機(jī)制實現(xiàn)硅納米線的生長。
[0013]本發(fā)明使用的考夫曼離子源出來的氫離子束不僅具有一定的動量和能量，而且H+還具有高于原子H的還原能力，因此ITO玻璃經(jīng)過H+離子束轟擊處理后，其表面會還原出固態(tài)的In與Sn金屬納米粒子。當(dāng)對ITO玻璃加熱的溫度超過In的熔點與Sn的熔點后，In與Sn會成為液態(tài);此時通過電子束蒸發(fā)的氣態(tài)的硅原子會溶解于液態(tài)的In與Sn中，形成S1-1n和S1-Sn合金液滴。當(dāng)這些合金液滴中硅原子過飽和后，硅原子就會從合金液滴中析出并結(jié)晶，隨著源源不斷的硅原子不停的從合金液滴中析出，合金液滴慢慢的從底部不斷地被推到頂部，最終在形成頂部會有金屬粒子存在的娃納米線。
[0014]本發(fā)明中使用出作為離子源的工作氣體，拓寬了離子源工作氣體的范圍，以往的離子源使用的工作氣體包括N2，02，Ar2等，很少或者幾乎沒有人使用H2作為離子源的工作氣體。以出作為考夫曼離子源的工作氣體去處理ITO玻璃導(dǎo)電層時，因為使用低能離子束轟擊材料表面可以形成納米結(jié)構(gòu)，例如，并且當(dāng)離子束正入射時，可以在材料表面形成排列均勻的點狀納米結(jié)構(gòu);氫離子束的作用類似于模板(通過制作不同孔徑的模板就可以控制粒子直徑的大小及分布)，可以實現(xiàn)金屬納米粒子的選擇性位置生長，并且通過控制離子束流和處理時間就可以控制金屬納米粒子的直徑和分布密度。
[0015]除此之外，眾所周知，非晶相的排列是無規(guī)律的，使用H2可以抑制真空室內(nèi)氧氣的含量，減少硅納米線生長過程中非晶相(如S12)的形成，盡可能使得硅納米線呈單晶生長從而形成一定走向的娃納米線。
[0016 ]本發(fā)明采用鍍有ITO膜層的襯底，其中襯底材料可采用AZO玻璃、硅片、不銹鋼或塑料等，優(yōu)選地，鍍有ITO膜層的襯底可直接采用ITO導(dǎo)電玻璃，因為ITO導(dǎo)電玻璃是在鈉鈣基或硅硼基基片玻璃的基礎(chǔ)上，利用濺射、蒸發(fā)等多種方法鍍上一層氧化銦錫(俗稱ΙΤ0)膜加工制作成的。
[0017]本發(fā)明中，所述步驟2中，所述氫離子束可以由任何符合發(fā)明條件的設(shè)備形成，優(yōu)選考夫曼離子源系統(tǒng)形成氫離子束?？挤蚵x子源系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)離子源陰極燈絲電流和中和燈絲電流，使得氫離子束流保持在30mA?120mA，電子束流保持在40?150mA，氫離子束轟擊處理時間為10?25分鐘。
[0018]本發(fā)明中，所述步驟3中，電子束流設(shè)