专利名称：基于单个极性半导体纳米带光弹簧的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单个极性半导体纳米带光弹簧的制作方法。
技术背景将纳米带光弹簧应用于微/纳电子机械领域，可望使元器件微型化、智能 化，提高微/纳电子机械系统的集成度。 一些极性半导体纳米结构在光照下将 改变大小或形状，这种在没有直接接触的情况下对机械变形的触发，为能够遥 控操作的弹簧带来了希望。微/纳电子技术的飞速发展导致微电子机械系统的 出现，而微/纳机械系统的目标是通过系统不断微型化、高集成化来研究具有 新原理、新功能的元件和系统。因此探索纳米结构光弹簧在微/纳电子机械以 及元器件中的潜在应用具有十分重要的意义。由于掺镧铁电陶瓷材料有很高的压电系数和光伏效应，导致它的光致应变大。例如材料化学与物理(Materials Chemistry and Physics 61 (1999) 36-41)报道，掺镧铁电陶瓷材料的光致应变最大达到0.4 %。利用光致应变 大的特点可制作出光致动器件，光致动器件与其他电制动器件相比有明显的 优势，如无线遥控和抗电磁场辐射强等优点。目前，对光致动器的研究主要 分为两个方面第一，利用该特性人们已经设计并制作出各种新型微结构光 致动器件，例如，光致动继电器、光致动步进机、光致动声波器件和光跟踪 传感器等(Mechatronics 10 (2000) 467-487 )。另一方面，人们以提高光致 动器件的光致应变量和响应速度为目标开展研究，例如美国专利US5585961 公开了提高光致动开关响应速度的一种方案。低维纳米结构半导体金属氧化物，尤其是一维II-VI族半导体氧化锌、 氧化锡和硫化锌纳米结构，其优越的光学、力学、电学和光致伸缩特性使其 在电子学、光电子学和微/纳电子机械中具有潜在的应用价值，因而受到广泛的关注。目前， 一维n-vi族半导体纳米结构材料的光敏特性、光伏特性、光电特性和光致发光特性的研究和应用已有较多的报道，例如 一维纳米结构氧化锌太阳电池，自然材料(Nature Materials 4 (2005) 455-459 ),场发 射，应用物理快报(Applied Physics Letters 90 (2007) 083107 (1-3))， UV 探测器，应用物理快报(Applied Physics Letters 90 (2004) 4556-4558 ), 表面声波，固体薄膜(Thin solid films 515 (2007) 8705-8708 )。但是，受到低尺度表征技术的限制，低维n-n族半导体纳米结构光机械性能的测量是困难的，尤其是光致伸缩特性以及由此制作的光弹簧至今还没有报道。基于单个II-VI族半导体压电纳米带制作的光弹簧有如下优点第一， 与现有掺镧铁电陶瓷材料制作光致动器的最大光致应变相比，光弹簧的最大 光致应变量达到2%;第二，纳米结构光弹簧具有体积小、定位精度高，适合 于微/纳电子机械系统的技术要求。该类光弹簧可作为微型光致动器、光传感 器和光机械开关的核心部分，在高微型化、高集成度的微/纳电子机械系统中 具有潜在的广泛应用。发明内容本发明的目的是提供一种利用II-VI族半导体单个压电纳米带的光致伸 缩效应，制备一种纳米结构光弹簧，可作为微型光致动器、光传感器和光机 械开关的核心部分，实现其在微/纳电子机械系统的广泛应用。本发明的目的是通过如下方式实现的 一种基于单个极性半导体纳米带 光弹簧的制作方法，包括以下步骤1) 以半导体粉末为原料，釆用热蒸发方法制备半导体纳米带絮状物；2) 用挥发性溶液为分散液，将半导体纳米带絮状物溶解在分散液中，并 经超声振荡后，使半导体纳米带絮状物分散成单个极性半导体纳米带悬浮在分 散液中；3) 将置于空气中形成二氧化硅绝缘层的单晶硅片为衬底；4) 将悬浮单个极性半导体纳米带的分散液滴在衬底上经自然挥发，得到 随机分布的单个半导体纳米带；5) 用纳米探针技术，选取平躺在衬底上其垂直方向具有最大的自发极化 和压电效应的单个极性半导体纳米带，作为基于单个极性半导体纳米带的光弹半导体粉末为n-vi族元素半导体粉末。n-vi族元素半导体粉末为氧化锌、硫化锌和二氧化锡粉末。挥发性溶液选取丙酮或乙醇。单个极性半导体纳米带，是具有自发极化和可逆光致伸缩效应的纳米结 构，它们可以是量子点、纳米带、纳米线、纳米棒、纳米管、纳米环或纳米 薄膜。本发明的优点在于基于单个II-VI族半导体压电纳米带制作的光弹簧 在光辐照下的光致伸缩大，最大光致应变量达到2%;光弹簧具有定位精度高， 适合于微/纳电子机械系统的技术要求。属于纳米高新技术领域。
图1单个II-VI族半导体纳米带光致伸缩原理示意图； 图2实施例1中氧化锌半导体纳米带的X射线衍射谱；图3实施例1中氧化锌半导体纳米带的扫描电镜图； 图4实施例1中用于确定单个氧化锌纳米带极性表面的透射电镜形貌图和 背散射图；图5实施例1中单个氧化锌纳米带的纳米压痕仪形貌图；图6实施例1中单个氧化锌纳米带原位压入保持载荷下白光"开"与"关" 周期性变化时的时间-位移曲线；图7实施例2中硫化锌半导体纳米带的X射线衍射谱；图8实施例2中硫化锌半导体纳米带的扫描电镜图；图9实施例2中用于确定硫化锌单个纳米带极性表面的透射电镜形貌图和 背散射图；图10实施例2中单个硫化锌纳米带的纳米压痕仪形貌图； 图11实施例2中单个硫化锌纳米带原位压入保持载荷下UV光"开"与 "关"周期性变化时的时间-位移曲线；具体实施方式
本发明基于单个极性半导体纳米带光弹簧的原理是如图1所示，无光照平衡态的n-vi族半导体纳米带相当于自由状态的弹簧，纳米带上表面晶面为(+0001 )面或(-0001 )面及下表面晶面为(-0001 )面或(+0001 )面，因自发极化其上、下表面晶面存在内建电场。低功率的入射光東波长是通过 滤波片调整变化的，波长必须在能激发半导体纳米结构材料的电子和空穴对 极限波长以下。在光注入时，电子空穴对的运动达到新的平衡，光生伏特效 应使得上、下表面晶面产生新的电势差，于是逆压电效应导致纳米带上、下 表面晶面距离的变化。光注入和光关闭时，电子空穴对的反向运动导致可逆 的光致变形。因此纳米带在可调控光注入下，象图1所示的弹簧一样产生可恢复的光致变形。本发明基于单个极性半导体纳米带的光弹簧，对入射光的要求为入射光 束是低功率的，入射光束波长是通过滤波片调制的，必须达到能激发半导体纳米结构材料的电子和空穴对的极限波长以下。在功率密度为0.2mW/cm2的紫外 光辐照下，单个II-VI族半导体硫化锌纳米带厚度方向的光致伸缩可达到2%。 利用其产生可恢复的光致应变特性，制作微/纳电子机械系统中所需的纳米结 构光弹簧。该类光弹簧可作为光致动器、光传感器和光机械开关的核心部分， 在高微型化、高集成度的微/纳电子机械系统中具有潜在的广泛应用。 实施例1:实施例1中一种基于单个极性氧化锌半导体纳米带光弹簧的制作方法，具 体包括以下步骤(1) 将高纯度(99.99%)的粉体氧化锌放入炉管中的石英舟内，氩气流方 向从石英舟流向附近用于纳米带生长的铝板，炉管内为0.48个标准大气压， 气流速率为50立方厘米/分钟。然后用加热器将炉管内温度加热到1400摄氏 度，氩气作为氧化锌的载体，生长2小时。在无催化剂的情况下制备出氧化锌 纳米带絮状材料。(2) 衬底选择为与标准半导体工艺兼容的单晶硅片，该硅片单面抛光，且 其抛光面为(001)晶面。(3) 釆用X射线衍射仪D500,测得氧化锌絮状物X射线衍射谱，如图2所 示。图中三个主要衍射峰，分别为六角纤锌矿结构(110)、 (101)、 (100)晶 面，其它峰也和氧化锌晶体六角纤锌矿结构一致，可以确定氧化锌絮状物具有角纤锌矿晶体结构。(4) 用扫描电镜Cambridge S-360观察氧化锌絮状物的形貌，可以确定其是长度约为20-100 jam的氧化锌纳米带，如图3所示。(5) 用清洁针尖沾一定量氧化锌纳米带絮状物，在约IO亳升丙酮溶液(分 析纯99. 5%)中溶解，釆用超声清洗仪进行超声振荡，时间为30-40分钟，分 散液中充满悬浮的氧化锌单个纳米带。(6) 用清洁的注射器将分散液滴到衬底表面，自然干燥l-2小时，得到随机分布于衬底表面的单个氧化锌纳米带，分散液挥发后形成的附着层将单个氧 化锌纳米带固定在衬底表面。(7) 用透射电镜JEM-200CX可得到单个氧化锌半导体纳米带的形貌图，如图4所示。从形貌图中可观察到纳米带横截面为矩形结构，由插图所示的背散 射图对纳米带晶体生长取向进行了分析，确定单个氧化锌半导体纳米带上表面 晶面(+0001 )为正电荷极性面，下表面晶面(-0001 )为负电荷性面。(8) 釆用纳米压痕仪(Hysitron Triboindenter, Hysitron Inc., USA) 对单个氧化锌纳米带进行成像。扫描速率设置为13. 5 nm/s，接触力设置为2 juN，图像尺寸大小设置为5ym,反馈增益设置为500。通过成像找到表面光 滑平整(如图5所示)的单个氧化锌纳米带，以利于实施纳米级精度的定位 和原位压入。(9) 通过步骤(8)得到如图5所示的单个氧化锌半导体纳米带的横截面形 状为矩形，厚度和宽度分别为500nm和600nm。通过与步骤(7)的结果对比分析，说明该单个氧化锌纳米带垂直方向具有最大的自发极化和压电效应。(10) 由光源机构(Ocean Optics Inc. USA)产生入射白光東，其功率为0.8mW/cm2。由滤波开关控制其"开"与"关"，可将入射白光東周期性地辐照在单 个氧化锌半导体纳米带上。(11) 采用步骤(8)所述的纳米压痕仪，对步骤(9)所述的单个氧化锌半导体纳米带进行原位压入保载实验。其参数设置如下加载时间为10s，加载速 率为4 PN/s，保载时间延长为90 s，保持压痕载荷为40 W,卸载时间设置为 10 s,卸载速率均为4 )LiN/s。保载阶段，实施步骤(IO)所述的入射白光東对 单个氧化锌半导体纳米带周期性地辐照，控制"开"15 s与"关"15 s交替 变化。纳米压痕仪实时输出单个氧化锌纳米带恒定保持载荷下，白光"开" 与"关"周期性变化时的时间-位移曲线，如图6所示。(12) 纳米压痕仪探针在入射白光束下的位移变化量，由图6所示的时间-位移曲线上获得。保持压痕载荷阶段，当入射白光東"开"15s时，纳米压痕 仪探针从平衡位置16. 5 nm处垂直向上移动到12. 5 nm处，位移变化量为4 nm。 当入射白光東"关"15s时，纳米压痕仪探针从12.5 nm处向下返回到平衡位 置16.5 nm处。入射白光東"开"和"关"周期性辐照时，探针位移发生周期 性的变化，即单个氧化锌半导体纳米带在白光辐照下的光致变形为4nm，光致 应变为0. 8%。(13) 当入射白光東功率密度为0.8mW/cm2，单个氧化锌半导体纳米带的 光致变形为4nm，则基于单个氧化锌半导体纳米带光弹簧的光弹簧系数大小为 1. 6 x 109W/m3。实施例2:实施例2中一种基于单个极性硫化锌半导体纳米带的光弹簧制作方法，具 体包括以下步骤(1)将高纯度(99.9%)的粉体硫化锌放入炉管中的石英舟内，氩气流方 向从石英舟流向附近用于纳米带生长的铝板，气流时间为4小时，用于净化炉 管内的氧气。炉管内为0.48个标准大气压，气流速率为50立方厘米/分钟。 然后用加热器将炉管内温度加热到1050摄氏度，氩气作为硫化锌的载体，生长2小时。在无催化剂的情况下制备出硫化锌纳米带絮状材料。(2) 与实施例1中的步骤(2)相同。(3) 硫化锌X射线衍射谱分析过程与实施例1中的步骤(3)相同。衍射实 验获得三个主要衍射峰，分别为六角纤锌矿结构(110)、 ( 002 )、 (100)晶面， 其它峰也和硫化锌纳米带六角纤锌矿结构一致，如图7所示。因此，确定硫化 锌半导体纳米带具有六角纤锌矿晶体结构。(4) 与实施例1中的步骤(4)相同，确定硫化锌是长度约为20-120jiin的 纳米带，如图8所示。(5) 与实施例1中的步骤(5)和(6)相同，得到固定在衬底表面的单个硫化 锌纳米带。(6) 与实施例1中的步骤(7)相同，如图9所示。由插图所示背散射图， 确定单个硫化锌半导体纳米带上表面晶面(+0001 )为正电荷极性面，下表面 晶面(-0001 )为负电荷性面。(7) 与实施例1中的步骤(8)和(9)相同，如图IO所示。单个硫化锌半导 体纳米带的横截面形状为矩形，厚度和宽度分别为400 nm和800 nm。同样分 析方法可知，单个硫化锌纳米带垂直方向具有最大的自发极化和压电效应。(8) 按实施例1中的步骤(IO),产生波长为340 nm的UV入射光東，功率 密度为0.2 mW/cm2,周期性地辐照在单个硫化锌半导体纳米带上。(9) 按实施例1中的步骤(ll)，对单个硫化锌半导体纳米带进行原位压入 保载实验。其参数设置如下加载时间为12.5 s,加载速率为0.4州/s,保 载时间为60s，保持压痕载荷为5M,卸载时间为12. 5s,卸载速率为0. 4^N/s。 保载阶段，UV入射光束对单个硫化锌半导体纳米带周期性地辐照，控制"开" 15 s与"关"15 s交替变化。纳米压痕仪实时输出时间-位移曲线，如图11所示。(10) 图ii所示,在时间-位移曲线保持压痕载荷阶段，当UV入射光束"开"15 s时，纳米压痕仪探针从平衡位置1.5 nm处垂直向上移动到-6.5 nm处， 位移变化量为8 nm。当UV入射光東"关"15 s时，探针从-6. 5 nm处向下返 回到平衡位置1.5nm处。UV光束"开"和"关"周期性辐照时，探针位移发 生周期性的变化，即单个硫化锌半导体纳米带在UV光東辐照下的光致变形为8 nm，光致应变为2%。(11) 当UV入射光東功率密度为0.2 mW/cm2,单个硫化锌半导体纳米带 的光致变形为8 nm,即可得到基于单个硫化锌半导体纳米带光弹簧的光弹簧 系数大小为2. 5xl(TW/m3。
权利要求
1、一种基于单个极性半导体纳米带光弹簧的制作方法，其特征在于1)以半导体粉末为原料，采用热蒸发方法制备半导体纳米带絮状物；2)用挥发性溶液作为分散液，将半导体纳米带絮状物溶解在分散液中，并经超声振荡后，使半导体纳米带絮状物分散成单个极性半导体纳米带，悬浮在分散液中；3)将置于空气中形成二氧化硅绝缘层的单晶硅片作为衬底；4)将悬浮单个极性半导体纳米带的分散液滴在衬底上经自然挥发，得到随机分布的单个半导体纳米带；5)采用纳米探针技术，选取平躺在衬底上其垂直方向具有最大的自发极化和压电效应的单个极性半导体纳米带，作为基于单个极性半导体纳米带的光弹簧。
2、 根据权利要求1所述的基于单个极性半导体纳米带光弹簧的制作方 法，其特征在于，半导体粉末为n-vi族元素半导体粉末。
3、 根据权利要求2所述的基于单个极性半导体纳米带光弹簧的制作方 法，其特征在于，II-VI族元素半导体粉末为氧化锌、硫化锌和二氧化锡粉末。
4、 根据权利要求1所述的基于单个极性半导体纳米带光弹簧的制作方 法，其特征在于，挥发性溶液选取丙酮或乙醇。
5、 根据权利要求1所述的基于单个极性半导体纳米带光弹簧的制作方 法，其特征在于，单个极性半导体纳米带，是具有自发极化和可逆光致伸缩 效应的纳米结构，它们可以是量子点、纳米带、纳米线、纳米棒、纳米管、 纳米环或纳米薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种基于单个极性半导体纳米带的光弹簧的制作方法，1)以半导体粉末为原料，采用热蒸发方法制备半导体纳米带絮状物；2)用挥发性溶液为分散液，将半导体纳米带絮状物溶解在分散液中，并经超声振荡后，使半导体纳米带絮状物分散成单个极性半导体纳米带悬浮在分散液中；3)将置于空气中形成二氧化硅绝缘层的单晶硅片为衬底；4)将悬浮单个极性半导体纳米带的分散液滴在衬底上经自然挥发，得到随机分布的单个纳米带；5)用纳米探针技术，选取平躺在衬底上其垂直方向具有最大的自发极化和压电效应的单个极性半导体纳米带，作为基于单个极性半导体纳米带的光弹簧。本发明的优点在于基于单个Ⅱ-Ⅵ族半导体压电纳米带制作的光弹簧的光致伸缩大，最大光致应变量达到2％；光弹簧具有定位精度高，适合于微/纳电子机械系统的技术要求。属于纳米高新技术领域。
文档编号B82B3/00GK101224868SQ20081003057
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月30日 优先权日2008年1月30日
发明者姜传斌, 王甲世, 郑学军, 陈义强, 龚伦军 申请人:湘潭大学