一种基于波导器件的单根纳米线的转移方法与流程

本发明涉及纳米器件制备领域，尤其是涉及一种基于波导器件的单根纳米线的转移方法。

背景技术：

微电子技术的迅猛发展使得功能材料向着二维或者一维更小尺度的研究成为可能，这也是一种器件小型化和集成化的研究趋势。与块状材料相比，一维纳米材料在物理特性具有独特的优势，在纳米级器件亦具有独特的应用潜力。这种独特结构的一维材料，因为其在尺寸减小所带来的优异的性能表现，使其在电、光子器件方面具有广阔的应用前景，并引起了科学界的广泛的关注，各国也都不遗余力的在纳米科技方面进行投入，以争取纳米领域的话语权。另外一方面，电子的热效应和串扰等固有的物理极限使得微电子技术的发展将遭遇瓶颈，光子集成技术将会扮演愈来愈重要的角色。而光子集成技术的核心技术之一是如何实现基于波导的光子器件集成。基于单根纳米线的波导器件是实现纳米线在光子技术应用中的重要一环，而如何实现基于单根纳米线的波导器件制备是器件实现应用的前提条件。

采用纳米线常用的制备方法，包括化学气相沉积法、模板法、气-液-固法等，制备出来纳米线均是集聚的纳米线，即成千上万根纳米线的团簇。而研究单根纳米线的结构和性质，需要从集聚的纳米线中分散出单根纳米线，然后再利用昂贵设备，例如加工离子束(FIB)等，操纵单根纳米线转移到电子或光子器件上，以完成纳米器件的制作。这种基于单根纳米线器件制备的传统方法不仅耗时费力，也不经济环保。这需要我们在技术上发明一种简单、可靠、便捷、经济、适用范围广的方法，来实现基于单根纳米线的转移，特别是在光子集成技术的波导器件上实现转移。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能从纳米线团簇中分散出单根纳米线，并且精确定位转移单根纳米线至波导的基于纳米器件的单根纳米线的转移方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于波导器件的单根纳米线的转移方法，具体步骤如下：

（1）分散纳米线：取一干净的硅片，依次用乙醇、去离子水在超声波中清洗，并用高纯氮气吹干；将纳米线样品微力压印并摩擦已洗净的硅片，硅片上得到少量且平行于硅片表面的纳米线；

（2）纳米线转移至有机膜：采用旋涂法在分布纳米线的硅片上镀上一层有机胶薄膜，轻微划开硅片边缘四周的有机胶薄膜并保持有机胶薄膜的完整，将硅片边缘的有机胶薄膜与硅片分离；

（3）有机膜脱离：将硅片放入含水的培养皿中静置，将硅片上表面与水平面齐平且将有机胶薄膜露出水面，使水渗入硅片与有机胶薄膜的间隙，并用气枪轻微吹有机胶薄膜边缘，使有机胶薄膜脱离硅片，将硅片表面的纳米线转移至有机胶薄膜的下表面，将少量水注入培养皿，使带有纳米线的有机胶薄膜浮在水面上；

（4）有机膜移至带孔托盘：通过聚二甲基硅氧烷粘附剂将有机胶薄膜的上表面粘附在有孔的托盘上，同时将有机胶薄膜的纳米线区域置于托盘孔的位置；

（5）波导器件上的光刻胶开窗口：将波导器件上旋涂一层光刻胶，通过曝光-显影工艺，在需要转移纳米线的波导器件位置处开一个裸露出波导器件的窗口，窗口尺寸略大于待转移纳米线尺寸；

（6）转移纳米线至窗口：将托盘放置于光学显微镜下的高度固定的框架上，框架下可升降的样品台粘上需要转移纳米线的波导器件；在光学显微镜下，透过孔能够依次观察到纳米线和波导器件；通过光学显微镜选定要转移的纳米线，调整托盘角度，将待转移纳米线对准波导器件上的窗口，缓慢升高样品台直至待转移纳米线嵌入窗口，即待转移纳米线接触至指定位置；

（7）有机膜脱离聚二甲基硅氧烷：将样品台上的波导器件加热到60-120℃，并保持10-60分钟以上，直至有机胶薄膜趋于软化，降低样品台直至波导器件与聚二甲基硅氧烷脱离，并将波导器件移出样品台；此时波导器件上有纳米线，纳米线上方覆盖着有机胶薄膜；窗口里的纳米线粘附在波导器件指定位置上，其它未选取的纳米线夹在波导器件上的光刻胶和有机胶薄膜之间；

（8）增加纳米线与波导的黏附力：将波导器件放入退火炉，控制退火温度小于纳米线熔点或晶化温度，处理10-60分钟，充分增加窗口内的纳米线与波导器件的黏附力；

（9）移除有机薄膜及光刻胶：将波导器件放置在丙酮中，使光刻胶和有机胶薄膜充分溶解，夹在光刻胶和有机胶薄膜之间的纳米线脱离波导器件，同时，转移的纳米线牢牢固定在窗口的波导器件上，通过丙酮和乙醇的冲洗，波导器件上只留下转移的纳米线，即完成单根纳米线的转移。

步骤（1）中所述的纳米线样品的尺寸小于硅片尺寸且所述的纳米线样品在硅片的中央位置轻微摩擦，所述的纳米线的直径约为400-500nm，长约为7-12μm，所述的纳米线样品包括Si、Si3N4、SiC、Ge-Te、Sb-Te、Ge-Sb-Te、Cd-Te、In-S和Ga-Sb半导体纳米线。

步骤（2）所述的有机胶薄膜包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或甲基丙烯酸甲酯(MMA)，有所述的有机胶薄膜的厚度为500-1000nm。

步骤（5）所述的波导器件为硅基器件，所述的硅基器件包括光电探测器、存储器、光调质器和光开关，所述的光刻胶的厚度与转移的纳米线的直径相同。

步骤（6）所述的框架下可升降的样品台采用光刻胶作为粘附剂粘上需要转移纳米线的波导器件。使波导固定在样品台上，不能有晃动。

步骤（8）所述的退火温度为100-400℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种基于波导器件的单根纳米线的转移方法，该方法通过压印方法从沉积的纳米线样品取出少量纳米线，经过显微镜选取纳米线并定位，利用热效应和范德华力作用使得纳米线吸附在波导上，采用退火处理增加纳米线和波导之间的黏附力。其能从纳米线团簇中分散出单根纳米线，并且精确定位转移单根纳米线至波导器件的方法，且转移后，其它未选取的纳米线不会污染波导器件。本方法为制备基于单根纳米线的光子器件提供了解决方案，在光子集成、高密度、多功能的光子芯片中具有重要的应用价值。

附图说明

图1为实施例1的GeTe纳米线扫描电子显微镜（Scanning Electronic Microscope ，简称SEM）照片；

图2为实施例1的波导器件的光学显微镜照片；

图3为实施例1的纳米线转移后的波导器件光学显微镜照片；

图4为实施例2的纳米线转移后的波导器件光学显微镜照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一、具体实施例

实施例1

采用沉积在硅上的GeTe纳米线，直径约为400nm，长约为7μm，其如图1所示。波导芯片尺寸为2×2cm²，波导宽和厚的尺寸分别为1300和330nm，如图2所示。将待转移的GeTe纳米线样品切成0.3×0.3 cm²的小片，用此小片(生长有纳米线的表面)压印并轻微摩擦已洗净的1×1cm²硅片中央区域。再将此硅片旋涂PMMA8.0，以1600rpm的转速，旋涂100s，有机膜的厚度约为600nm；之后，采用牙签轻微划开硅片四周约2mm的有机膜，使四周的有机膜与硅片分离；将此硅片放入培养皿，并注入水，水不能完全掩盖硅片，与有机膜同高，用氮气枪轻吹有机膜，助其在水中与硅片脱落。脱落后，再注入水，使得有机膜浮在在水面上。再用带孔托盘及PDMS粘上浮在水面上的有机膜，放在显微镜固定的框架上。在待转移的波导芯片上旋涂PMMA8.0约400nm，采用电子束曝光在待转移的波导上开一个窗口，并用甲基异丁基酮作为显影液充分显影，使得波导上的窗口里面无残留的光刻胶。将样品台用PMMA8.0润湿，放置波导芯片，PMMA8.0干涸后，波导芯片被固定在样品台。通过光学显微镜将选取的纳米线对齐窗口，上升样品台直至纳米线与波导直接接触。将样品台上的波导器件加热到120℃，保持20分钟后，下降样品台直至PDMS与纳米线上层的PMMA8.0膜脱离。将样品放入退火炉，在150℃下退火30分钟后，浸入丙酮；5个小时后，取出波导芯片，用乙醇和去离子水洗净得到基于单根纳米线的光子器件。

上述制备的GeTe纳米线的光学显微镜如图3所示，单根纳米线成功转移到波导，且与波导平行，而其它未选取的纳米线不会停留在波导上，因而不会污染波导。

实施例2

同实施例1，其区别点在于，待转移的GeTe纳米线直径约为500nm，长约为12μm；旋涂的光刻胶为甲基丙烯酸甲酯(MMA)；芯片上旋涂的PMMA8.0厚度为500nm；将纳米线转移在波导垂直方向上。

上述制备的GeTe纳米线的光学显微镜如图4所示，单根纳米线成功转移至波导指定位置。

实施例3

同实施例1，其区别点在于，待转移的纳米线为Sb₂Te₃纳米线，直径约为200nm，长约为7μm；旋涂的光刻胶为氢基硅氧烷(HSQ)；芯片上旋涂的PMMA8.0厚度为200nm；将样品台上的波导器件加热到110℃，保持20分钟后，下降样品台直至PDMS与纳米线上层的PMMA8.0膜脱离。将样品放入退火炉，在110℃下退火30分钟后，浸入丙酮；将纳米线转移在波导平行方向上。

实施例4

同实施例1，其区别点在于，待转移的纳米线为Si纳米线，直径约为100nm，长约为10μm；旋涂的光刻胶为SU-8；芯片上旋涂的PMMA8.0厚度为100nm；将样品台上的波导器件加热到100℃，保持20分钟后，下降样品台直至PDMS与纳米线上层的PMMA8.0膜脱离。将样品放入退火炉，在200℃下退火30分钟后，浸入丙酮8小时；将纳米线转移在波导垂直方向上。

二、实验结果分析

图1为GeTe纳米线样品的扫描电镜(SEM)图。可以看出，纳米上分布均匀、致密，其直径约400nm，长度约为4-8μm。图2是需要转移纳米线的波导器件光学显微镜图。图中氮化硅波导宽为1.3μm，高度为330nm，波导器件的基底为SiO₂(3300nm)/Si。图3是直径约为400nm的纳米线转移后的波导器件的光学显微镜图。单根纳米线平行于波导，其它未选取的纳米线没有污染波导。图4是直径为500nm线转移后的波导器件的光学显微镜图。可以看出，单根纳米线成功实现转移。

综上所述，本发明方法无需贵重设备探针操作，可简单、经济地实现单根纳米线的精确转移，这为高密度、集成化基于单根纳米线光子器件的制备提供了解决方案。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权力要求书为准。