一种在硅片上复合In₂O₃花状纳米结构的半导体材料及其制备方法

专利名称：一种在硅片上复合In₂O₃花状纳米结构的半导体材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及光电子材料、半导体材料与器件技术领域，具体地说是一种在硅片上 复合ln203花状纳米结构的半导体材料及其制备方法。
背景技术：
ln203是一种宽带隙透明半导体材料，其直接带隙在3. 55 3. 75eV范围内，具有 良好的导电性和较高的透光率。由于其独特的电学、化学和光学性质，ln203在化学、生物传 感、太阳能电池、光催化、执行器、光电子和平板显示等领域具有广泛的应用空间。近来，人们利用各种方法(溶液法，分子束外延，脉冲激光沉积，金属有机物化学 气相沉积等)制备出了各种不同的ln203纳米结构，例如纳米线，纳米带，纳米方块，八面体， 纳米箭等，并对这些纳米结构的光电特性进行了研究。结果表明，具有尖端的那些纳米结构 更容易发射出电子，然而至目前为止已经公开的现有技术中，所有的纳米结构由于其光滑 的表面往往都只能从顶端发射电子，限制了场发射性能的进一步提高。

发明内容
本发明的目的之一在于提供一种在硅片上复合ln203花状纳米结构的半导体材 料，该材料不但具有纳米级的尖端，而且在主干上还分布着大量的刺状纳米结构，克服了现 有技术中许多纳米结构在场发射应用中的不足。本发明的第二个目的在于提供在硅片上复合ln203花状纳米结构的半导体材料的 制备方法，以解决现有ln203纳米材料制备方法条件苛刻，成本高的问题，提供一种低成本， 高重复性的新方法。本发明的目的是这样实现的—种在硅片上复合ln203花状纳米结构的半导体材料，特点是该材料包括硅片衬 底及生长在该衬底表面的ln203晶体；所述ln203晶体为花状纳米结构，其花瓣为带刺棒状 纳米结构，棒的长度为40 80 ii m,刺的长度为0. 8 4. 6 ii m，刺状纳米结构整齐地排列在 棒状纳米结构的表面上。上述半导体材料的制备方法包括如下步骤a、将Sn粉、ln203粉和C粉以1 10 30的摩尔比混合，作为源放到石英舟里， 将清洗后的硅片盖在石英舟上，硅片与源的垂直距离为4 10mm ；b、将石英舟置于预先加热至700 1000°C、水平放置的管式生长炉的中部；c、管式生长炉中通入惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应120 240min ；d、取出石英舟和硅片，得到在硅片上复合ln203花状纳米结构的半导体材料；其中步骤a中所述Sn粉的纯度为99. 5% ；所述ln203粉的纯度为分析纯；所述C 粉的纯度为光谱纯；步骤c中所述通入的惰性气体Ar的流量为0. 2 0. 6L/min。所述水平放置的管式生长炉由两根管组成，其中一根管长为70 100cm，直径为6 IOcm ；另一根管长为50 80cm，直径为3 5cm ；反应时，小口径管插入大口径管中，载 气是直接通入到小口径管中。本发明通过改变对热蒸发过程中一些参量，如诱导物，气体流量，反应温度，硅片 与源之间距离的控制，合成了 In2O3花状纳米结构。相对于现有技术合成的纳米结构，本发 明的突出特点是(1)所放硅片衬底位置不同。许多合成方法都把硅衬底放在气流的下流， 与源在同一水平位置，而本发明则把硅片直接放在与源的垂直方向上的某一位置；(2)压 力只需要是常压，降低了对设备的要求；(3)对载气的要求不高，只需要Ar就可以，不需要 加O2等另外的气体；(4)方法简单，成本低，重复性好。本发明采用硅片作为衬底，将In2O3 花状纳米结构生长在硅衬底上，花状纳米结构表面上有大量可作为发射点的纳米尖端，可 作为良好的场发射阴极材料。本发明可结合目前成熟的半导体硅集成电路工艺，适合于集 成纳米光电子器件的制备。


图1是本发明实施例1的X射线衍射图，图中显示所有的峰都是In2O3的峰，没有 Sn或其他杂质峰存在。图2是本发明实施例1大量花状纳米结构的SEM图，图中显示In2O3晶体为带刺棒 状纳米结构底部连接在一起形成的花状纳米结构。图3是本发明实施例1的放大倍数的SEM图，图中显示In2O3带刺棒状纳米结构长 度为40 80 μ m,刺状纳米结构长度为0. 8 4. 6 μ m，刺状纳米结构整齐地排列在棒状纳 米结构的表面上。
具体实施例方式实施例1a、把硅片清洗干净，然后切成1. 5cmX 1. 5cm小片；b、将水平放置的管式生长炉以5°C /min的速率加热到900°C ；C、将0.2g Sn粉、2g In2O3粉和6g C粉混合作为源放到一个石英舟里，把一小片 干净的硅片盖在石英舟的上面，作为衬底来收集反应生成物，硅片与源的垂直距离为4mm ；d、把石英舟放到预先加热好的水平管式炉的中部；e、通入流量为0. 5L/min的惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应240min ；f、取出石英舟和硅片，在硅片上面长有一层淡黄色的物质，即制得所需材料。检测所制得的材料，检测结果如图1、2、3所示。图1显示所有的峰都是In2O3的 峰，没有Sn或其他杂质峰存在。图2显示In2O3晶体为带刺棒状纳米结构底部连接在一起 形成的花状纳米结构。图3显示In2O3带刺棒状纳米结构长度为40 80 μ m,刺状纳米结 构长度为0. 8 4. 6 μ m，刺状纳米结构整齐地排列在棒状纳米结构的表面上。实施例2a、把硅片清洗干净，然后切成1. 8cmX 1. 8cm小片；b、将水平放置的管式生长炉以5°C /min的速率加热到850°C ；C、将0. Ig Sn粉、Ig In2O3粉和3g C粉混合作为源放到一个石英舟里，把一小片 干净的硅片盖在石英舟的上面，作为衬底来收集反应生成物，硅片与源的垂直距离为5mm ；
d、把石英舟放到预先加热好的水平管式炉的中部；e、通入流量为0. 3L/min的惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应200min ；f、取出石英舟和硅片，在硅片上面长有一层淡黄色的物质，即制得所需材料。
权利要求
一种在硅片上复合In2O3花状纳米结构的半导体材料，其特征在于该材料包括硅片衬底及生长在该衬底表面的In2O3晶体；所述In2O3晶体为花状纳米结构，其花瓣为带刺棒状纳米结构，棒的长度为40～80μm，刺的长度为0.8～4.6μm，刺状纳米结构整齐地排列在棒状纳米结构的表面上。
2.—种权利要求1所述半导体材料的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤a、将Sn粉、ln203粉和C粉以1 10 30的摩尔比混合，作为源放到石英舟里，将清 洗后的硅片盖在石英舟上，硅片与源的垂直距离为4 10mm ；b、将石英舟置于预先加热至700 1000°C、水平放置的管式生长炉的中部；c、管式生长炉中通入惰性气体Ar作为载气，在大气压强下反应120 240min；d、取出石英舟和硅片，得到在硅片上复合ln203花状纳米结构的半导体材料；其中步骤a中所述Sn粉的纯度为99. 5% ；所述ln203粉的纯度为分析纯；所述C粉的 纯度为光谱纯；步骤c中所述通入的惰性气体Ar的流量为0. 2 0. 6L/min。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述水平放置的管式生长炉由两根管 组成，其中一根管长为70 100cm，直径为6 10em ；另一根管长为50 80cm，直径为3 5cm ；反应时，小口径管插入大口径管中，载气是直接通入到小口径管中。
全文摘要
本发明公开了一种在硅片上复合In2O3花状纳米结构的半导体材料及其制备方法，其材料包括衬底，该衬底采用硅片，其衬底表面生长有In2O3晶体；所述的In2O3晶体为带刺棒状纳米结构底部连接在一起形成的花状纳米结构，In2O3带刺棒状纳米结构长度为40～80μm，刺状纳米结构长度为0.8～4.6μm，刺状纳米结构整齐地排列在棒状纳米结构的表面上。其制备方法是以Sn粉、In2O3粉和C粉作为原料，利用热蒸发方法生长得到In2O3花状纳米结构。本发明中的花状纳米结构，表面上有大量可作为发射点的纳米尖端，可作为良好的场发射阴极材料。本发明具有成本低，重复性高等优点，可结合目前成熟的半导体硅集成电路工艺，适合于集成纳米光电子器件的制备。
文档编号C04B41/50GK101875565SQ20101017196
公开日2010年11月3日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者朱自强, 郁可, 黄雁君 申请人:华东师范大学