一种从薄膜表面可控制备单晶锡纳米线/微米线的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属纳米材料制备技术领域，具体涉及一种从薄膜表面可控制备单晶锡纳米线/微米线的方法，可以实现锡纳米线/微米线直径和长度的可控制备。
【背景技术】
[0002]锡纳米线为一维纳米材料，在化学传感器、锂离子电池、发光二极管等领域具有广泛的应用。尤其是单晶锡纳米线的电子传输特性更加优异，可以大幅度提高其性能，并且能够表现出超导特性。因此，实现单晶锡纳米线批量、可控的制备对其应用具有十分重要的意义。
[0003]目前，制备金属锡纳米线的方法很多，大部分都基于模板法。采用电化学沉积、溶胶凝胶、化学气相沉积等都能够通过模板法制备出锡纳米线。模板法能够很好地调控锡纳米线的形貌，并且能够得到取向一致的锡纳米线阵列，但制备工艺复杂，后处理比较烦琐，制备出的锡纳米线一般为多晶锡纳米线。Luo B采用模板法成功制备出单晶锡纳米线(Nanoscale, 2010 ；2:1661)，但制备工艺较复杂，制备时间长。
[0004]锡晶须是在压应力条件下自发生长的单晶锡纳米线/微米线，并且主要沿[100]、
[001]和[101]等低指数晶体方向生长。纯锡或锡基镀层以及某些锡合金表面都能够生长锡晶须。研究者也尝试采用锡晶须生长的方法制备单晶锡纳米线/微米线。如:刘胜等报道了一种利用锡晶须的生长制备锡纳米线的方法(中国专利申请:201210068606.X)，但也需要模板制备。Xiao X在锡娃复合薄膜上成功制备出锡纳米线，并且能够在一定范围内实现直径的可控制备(Appl.Phys.Lett.2010 ;97:141904)，操作简单；但是需要采用磁控派射制备锡硅复合薄膜，成本较高。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种从薄膜表面可控制备单晶锡纳米线/微米线的方法，通过薄膜内部热失配产生压应力，进而诱发单晶锡纳米线/微米线的生长，解决了现有方法的工艺复杂、成本较高等问题。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]—种从薄膜表面可控制备单晶锡纳米线/微米线的方法，其特征在于:该方法首先在娃基板上制备厚度为10nm?200 μ m的多晶锡薄膜，获得娃/锡复合薄膜，然后将娃/锡复合薄膜在高温条件下存放，即在多晶锡薄膜表面生长出所述单晶锡纳米线/微米线；通过控制硅/锡复合薄膜内部的压应力变化，能够控制所生长的单晶锡纳米线/微米线的长度、密度及生长速度，通过控制所述多晶锡薄膜中锡的晶粒尺寸，能够控制所生长的单晶锡纳米线/微米线的直径。所制备的锡纳米线/微米线为单晶，其直径尺寸范围为10nm?10 μ m，长度范围为100nm?1_，生长密度为10?1000根/mm2，生长速度为0.1?100nm/
So
[0008]所述硅/锡复合薄膜内部的压应力变化是通过调控所述硅/锡复合薄膜的存放温度条件和/或存放时间来控制，进而获得所需长度、密度及生长速度的单晶锡纳米线/微米线。
[0009]所述硅/锡复合薄膜的存放温度条件为恒温或循环方式，恒温的温度区间在30?200°C之间，温度越高，锡纳米线/微米线的生长速度越快；循环方式按照“升温-降温-升温”的方式往复循环，温度范围为-40?200°C，通过调节循环的周数能够控制锡纳米线/微米线的长度和生长密度，循环的周数越多，锡纳米线/微米线的生长密度越大、长度越短。
[0010]所述硅/锡复合薄膜存放在真空、气体保护或大气条件下，存放时间为5分钟?1年，存放时间越长，制备得到的单晶锡纳米线/微米线的长度越长。
[0011]所述多晶锡薄膜中锡的晶粒尺寸决定锡纳米线/微米线的直径尺寸；所述多晶锡薄膜中锡的晶粒尺寸通过其制备工艺控制。
[0012]所述多晶锡薄膜采用磁控溅射、电子束辅助沉积、电镀或化学镀等工艺制备，通过选择制备工艺及调整工艺参数获得所需要规格的多晶锡薄膜。
[0013]所述硅基板为单晶硅或多晶硅。
[0014]所述娃/锡复合薄膜还可包括金属层(Ti层或A1层，厚度1?10nm)，金属层制备在硅基板与多晶锡薄膜之间，以增强多晶锡薄膜和硅基板的结合力。
[0015]本发明中利用锡晶须生长的方法在硅/锡薄膜表面可控制备锡纳米线/微米线，与目前广泛采用的模板法相比，具有以下优点:
[0016]1、本发明突破了制备锡纳米线/微米线的传统化学方法，通过制备特定的硅/锡复合薄膜，控制存放条件，可以在短时间内实现大量单晶锡纳米线/微米线的制备，工艺简单，成本低廉；
[0017]2、本发明通过调节薄膜中锡的晶粒尺寸来实现锡纳米线/微米线直径的控制，可控性强，直径范围为10nm?10 μ m，通过调节实验存放条件实现单晶锡纳米线/微米线长度的控制，可控范围广，其范围为lOOnm?lmm0
[0018]3、本发明利用晶须生长的方法制备锡纳米线/微米线的方法操作工艺简单，避免了传统模板法复杂的工艺过程，是一种简单、有效的制备单晶锡纳米线/微米线的方法。
【附图说明】
[0019]图1为实施例1中硅基板上150nm厚锡薄膜表面生长的一根单晶锡纳米线。
[0020]图2为实施例1中锡薄膜表面生长的一根单晶锡纳米线及其透射电子衍射谱；其中:(a)单晶锡纳米线；(b)透射电子衍射谱。
[0021]图3为实施例2中硅基板上500nm厚锡薄膜在120°C存储条件下表面生长的单晶锡微米线。
[0022]图4为实施例3中硅基板上500nm厚锡薄膜在热循环6周条件下生长的锡微米线。
[0023]图5为实施例3中娃基板上500nm厚锡薄膜热循环36周条件下生长的锡微米线。
【具体实施方式】
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[0024]下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
[0025]本发明是从薄膜表面可控制备单晶锡纳米线/微米线的方法，通过硅/锡薄膜的制备、高温存放等过程，调节存放条件在薄膜表面制备出直径和长度可控的单晶锡纳米线/微米线。具体步骤如下:
[0026](1)在娃基板上制备多晶锡薄膜，获得娃/锡复合薄膜；
[0027](2)将得到的硅/锡复合薄膜在高温条件下存放一定时间，其表面就会生长出大量的单晶锡纳米线/微米线。
[0028]本发明中，所用的材料结构为硅/锡复合薄膜，硅基板可以为单晶或多晶硅。
[0029]本发明中，为了增强基板和锡薄膜的结合强度，可以预先在硅基板上制备一定厚度金属层，可以为T1、Al等。
[0030]本发明中，锡薄膜可以采用磁控溅射、电子束辅助沉积、电镀、化学镀等方法制备，不同的制备方法及参数制备得到的薄膜的晶粒尺寸不同，薄膜的厚度在10nm?200 μπι之间。
[0031]本发明中，薄膜中锡的晶粒尺寸决定了锡纳米线/微米线的直径尺