铝纳米线阵列制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属纳米材料制备领域，具体地说是一种铝纳米线阵列制备方法。
【背景技术】
[0002] 金属纳米材料是目前的热门研究之一，例如铜纳米线、银纳米线和铝纳米线已经 成为了微机电系统(MEMS)和小型机械系统的必要组成材料。铝具有工艺性好和制备成本低 的优势，因此近年来出现了众多制备铝纳米线的报道。由于铝独特的物理化学性质，因此常 用的化学气相沉积法和氧化铝薄膜法并不适用于制备铝纳米线。另一方面，原子迀移作为 一种物理方法，近来也成功制备了多种铝微纳米材料，包括铝微米线和铝微米球等。但是利 用原子迀移现象制备铝纳米线阵列仍存在较多技术难题，目前尚未有成功制备的报道。现 如今微纳米线的制备有自上而下法和自下而上法，但是都存在不足。
[0003] 自上而下法通过光刻技术实现，但是由于波长和精度要求，在纳米级别的工艺制 作上受很大的局限。一些特殊的设备比如聚焦离子蚀刻，快速原子轰击束蚀刻可以实现纳 米级别材料的制备，但是由于耗时长，成本高，无法进行大规模应用。
[0004] 自下而上法是通过控制分子或者原子来制备微纳米材料的技术，迄今为止，利用 自下而上的方法制备金属微纳米线已经成为一种成熟的技术。自下而上法根据原理可分为 两类。第一类是依靠化学反应来完成制备过程，比如气-液-固法和模板法等。另一类是依靠 物理现象实现制备，比如电迀移法，应力迀移现象和超塑性变形。但自下而上法制备微米材 料时，效率偏低。
[0005] 模板法:无法在试验中随意控制纳米材料生长的位置和长度，而且由于铝表面会 自然生成一层氧化铝，因此使用多孔铝模板无法制备铝纳米线。
[0006] 氢还原法:饱和溶液中氢还原法可以有效促进制备大批量的长纳米线，而普通氢 还原法只适合于制备分散的金属纳米颗粒。实验证明材料的疏水性和亲水性对纳米线的生 长过程有很大影响。
[0007] 应力迀移法：可以生长出铝晶须，即铝纳米线，但是通常铝纳米线的长径比比较 小，无法工业化应用，另外缺乏充分的生长机理说明。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种铝纳米线阵列制备方法。
[0009] 本发明要解决现有的铝纳米线的制备方法耗时长，成本高，生产效率低，无法工业 化应用的问题。
[0010] 本发明的技术方案是:一种铝纳米线阵列制备方法，制备方法包括以下步骤：
[0011] (1)、制作铝薄膜:使用Si作为基板，然后在其表面氧化一层SiO2膜，接着通过磁控 溅射技术依次在SiO 2膜的上方沉积一层TiN膜和Al膜；
[0012] (2)、采用蚀刻技术在制备好的铝薄膜上制作出阵列结构，所述的阵列结构包括并 联排列的多条生产链，所述的生产链由多个生产单元串联相接而成，每个生产单元包括迀 移桥和连接部，所述的连接部设于所述迀移桥的左右两端，且所述的连接部的靠近迀移桥 的一端小于所述连接部的远离迀移桥的一端，所述的生产链的左端连接为正极，所述的生 产链的右端连接为负极，蚀刻时，对所述的生产单元的迀移桥和连接部的材料进行保留，对 迀移桥和连接部的上下两个区域的材料进行蚀刻，仅留存Si基板；
[0013] (3)、在经过蚀刻制作结构后的铝薄膜表面沉积一层SiO2作为保护膜，在这一过程 中，将试样的正极和负极进行遮挡，以实现正极和负极表面的导电性；
[0014] (4)、最后利用聚焦离子束蚀刻技术在所述的靠近迀移桥的右端处的保护膜上制 备出排出孔，形成实验试样；
[0015] (5)、实验试样制备完成后对其进行通电和加热；
[0016] (6)、在通电开始后，实验试样的铝薄膜内原子被电子驱动而发生迀移，并在排出 孔区域积聚，随通电时间增大积聚原子数量增大，形成不断增长的压应力，当该压应力达到 临界值后，铝原子被析出，铝纳米线开始生长。
[0017] 优选的，所述的作为基板的Si的厚度为280±20μπι，所述的SiO2膜的厚度为300土 100nm，所述的TiN膜的厚度为300±100nm，所述的Al膜的厚度为600±100nm，所述的用SiO 2 作为保护膜的厚度为3μηι。
[0018] 优选的，所述的排出孔的孔径为700nm。
[0019] 优选的，通电和加热过程中，将实验试样放置于温度为523K的陶瓷片上进行通电， 电流密度为1.5~2.8MA/cm3,通电时间为15分钟。
[0020] 本发明的有益效果为：本发明是一种可以实现在指定位置制备微纳米材料的方 法。错纳米线阵列的生长位置通过制作排出孔实现了控制，制备出的铝纳米线阵列，可直接 用于微器件开发，也可以通过进一步操作进行切割和焊接，满足不同工况下的使用要求。且 本发明的制备方法解决了原有微纳米线制备方法的不足，具有耗时短，成本低，生产效率 高，可工业化应用。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的阵列结构示意图。
[0022] 图2是本发明的生产单元的放大示意图。
[0023]图3是本发明的实验试样的横截面结构图。
[0024] 图4是本发明通电后实验试样表面生长铝纳米线的电镜图。
[0025] 图5是铝纳米线未生长现象的电镜图。
[0026] 图6是铝微米球生长现象的电镜图。
[0027]图7是爆破现象的电镜图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0029] 如图所示，本发明制备方法包括以下步骤：
[0030] (1)、制作铝薄膜:使用Si作为基板12,然后在其表面氧化一层SiO2膜11，接着通过 磁控溅射技术依次在SiO 2膜的上方沉积一层TiN膜10和Al膜9;
[0031] (2)、采用蚀刻技术在制备好的铝薄膜上制作出阵列结构，所述的阵列结构包括并 联排列的多条生产链2,所述的生产链2由多个生产单元1串联相接而成，每个生产单元1包 括迀移桥7和连接部6,所述的连接部6设于所述迀移桥7的左右两端，且所述的连接部6的靠 近迀移桥7的一端小于所述连接部6的远离迀移桥7的一端，所述的生产链2的左端连接为正 极4,所述的生产链2的右端连接为负极3,蚀刻时，对所述的生产单元1的迀移桥7和连接部6 的材料进行保留，对迀移桥7和连接部6的上下两个区域的材料进行蚀刻，仅留存Si基板12;